一种生产高纯氧和高纯氮的方法及装置制造方法及图纸

一种生产高纯氧和高纯氮的方法及装置，通过深冷精馏的手段，同时制备高纯氧和高纯氮两种产品，获得的高纯氧产品氧含量范围≥99.999％，甚至达到超纯氧的标准，氧含量范围≥99.9999％，获得的高纯氮产品氮含量范围≥99.999％，分别达到了国标《GB/T14599纯氧、高纯氧和超纯氧》中的高纯氧和《GB/T8979纯氮、高纯氮和超纯氮》中的高纯氮的标准要求，本发明专利技术采用单独的单元来脱除甲烷，在保证高纯氧纯度的基础上提高了高纯氧的提取率，经济性好。

【技术实现步骤摘要】
一种生产高纯氧和高纯氮的方法及装置
本专利技术属于空气分离提纯
，具体涉及一种生产高纯氧和高纯氮的方法及装置。
技术介绍
工业气体被喻为工业的“血液”。随着中国经济的快速发展，工业气体作为国民经济基础工业要素之一，在国民经济中的重要地位和作用日益凸显。尤其是随着互联网时代的到来，电子、多晶硅等行业广泛兴起，工业气体中的优等生——高纯气体的需求越来越多。作为高纯气体的中的大宗气体，高纯氧气和高纯氮气在电子、多晶硅等行业的应用越来越广泛，而目前的高纯氧大多是从空分中作为副产品生产得到，产能相对需求而言不足，高纯氮则是采用深冷精馏的方法从制氮装置中获得。目前仅有极少量的装置能够同时制备高纯氧和高纯氮，但是，这些方法中，对于高纯氧气中的主要杂质甲烷，均没有单独且能彻底脱除的方法及装置，仅在精馏塔的中部抽取极少一部分可以忽略甲烷含量的流体作为生产高纯氧的原料，造成了生产高纯氧时提取率低下的问题，并且氧的纯度越高，提取率越低。因此，并未得到广泛的应用。对于需要同时应用高纯氧和高纯氮的行业来讲，仍然难以满足要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种生产高纯氧和高纯氮的方法及装置，通过深冷精馏的手段同时制备高纯氧和高纯氮两种产品，获得的高纯氧产品氧含量范围≥99.999％，甚至达到超纯氧的标准，氧含量范围≥99.9999％，获得的高纯氮产品氮含量范围≥99.999％，分别达到了国标《GB/T14599纯氧、高纯氧和超纯氧》中的高纯氧和《GB/T8979纯氮、高纯氮和超纯氮》中的高纯氮的标准要求。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案；一种生产高纯氧和高纯氮的方法，包括以下步骤：1)将原料空气多级压缩至7～14barg，冷却至30～40℃，进入预冷系统，继续冷却至10～20℃后进行吸附净化，除去水分、CO2和碳原子数在3以上的碳氢化合物，净化后，空气中水含量≤3ppm，二氧化碳含量≤5ppm；2)净化空气进入冷箱，分成两股，一股净化空气直接冷却至-140～-170℃后进入高压塔进行精馏；另一股净化空气压缩至9～18barg，再冷却至-120～-140℃，然后膨胀至2～4barg，进入低压塔进行精馏；3)高压塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到高纯氮流体，高纯氮流体复热至常温作为高纯氮产品；塔釜得到富氧流体，将富氧流体过冷至-160～-180℃后分成两股进行节流，一股节流至2-4barg后进入低压塔参与精馏，另一股节流至3-8barg后进入脱甲烷塔进行精馏；4)低压塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到纯氮流体，加压至7～14barg后进入高压塔参与精馏；塔釜得到富氧流体；5)脱甲烷塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到脱除甲烷的含氧流体，节流至0.05～5barg，进入高纯氧塔进行精馏；塔釜得到富甲烷流体；6)高纯氧塔中，来自塔顶下降的冷流体与塔釜加热后上升的热流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到含氮流体；塔釜获得高纯氧产品。进一步，步骤1)中，所述吸附净化通过分子筛吸附纯化器进行。优选地，步骤1)中，进行吸附净化时，由两并联的分子筛吸附器交替工作，一个工作时，另一个由加热的污氮气进行再生。进一步，步骤2)中，直接冷却的净化空气占净化空气总体积的5％～25％。又进一步，步骤3)中，进入脱甲烷塔的富氧流体占富氧流体总体积的10％～40％。优选地，步骤3)中，所述高压塔的操作压力为7～14barg，操作温度为-180℃～-120℃，理论塔板数不少于60块。又优选地，步骤4)中，所述低压塔的操作压力为2～4barg，操作温度为-190℃～-160℃，理论塔板数不少于40块。进一步，步骤5)中，所述脱甲烷塔的操作压力为3～8barg，操作温度为-180℃～-150℃，理论塔板数不少于10块。又，步骤6)中，所述高纯氧塔的操作压力为0.05～5barg，操作温度为-196℃～-160℃，理论塔板数不少于50块。优选地，步骤4)-6)中，低压塔塔釜的富氧流体与脱甲烷塔塔釜得到的富甲烷流体、高纯氧塔塔顶得到的含氮流体汇合后复热至常温，排出冷箱。进一步，对步骤3)获得的高纯氮产品进一步纯化，氮含量范围≥99.9999％，步骤6)中获得的高纯氧产品，氧含量范围≥99.9999％。本专利技术中，对于从高压塔塔釜得到的富氧流体，冷却加压后，将其送入脱甲烷塔中，对甲烷进行脱除，彻底脱除甲烷后，含氧流体进入高纯氧塔进一步纯化，以获得高纯氧产品。本专利技术中，来自低压塔塔釜的富氧流体、脱甲烷塔塔釜的富甲烷流体和高纯氧塔塔顶的含氮流体，以及高压塔塔顶的高纯氮均可作为净化空气降温的冷源，其中，低压富氧流体和富甲烷流体还可作为冷却富氧流体的冷源，低压富氧流体和富甲烷流体中的冷量被交换后，可在加热后对预纯化器进行再生，在得到高纯氧和高纯氮的过程中，整个制备过程中的冷、热能量均得到充分利用，节约能源。本专利技术中，采用冷箱保温，在吸附净化时，可用两并联的分子筛吸附器交替工作，一个工作，另一个被加热的富氧流体和富甲烷流体进行再生，实现连续运转。本专利技术提供一种生产高纯氧和高纯氮的装置，包括空压机、预冷系统、预纯化器和冷箱；所述冷箱中设有主换热器、膨胀机、过冷器、液氮泵、高压塔、低压塔、脱甲烷塔和高纯氧塔；其中，所述主换热器设至少两降温入口及出口、至少两复热入口及出口；所述膨胀机由增压和膨胀两部分组成；所述过冷器设降温入口及出口、复热入口及出口；所述高压塔顶部设置冷凝器，塔体设空气入口和纯氮流体入口，塔顶设高纯氮流体出口，塔釜设富氧流体出口；所述低压塔顶部设置冷凝器，塔体设富氧流体入口和空气入口，塔顶设纯氮流体出口，塔釜设富氧流体出口；所述脱甲烷塔顶部设置冷凝器，塔体设富氧流体入口、塔顶设含氧流体出口，塔釜设富甲烷流体出口；所述高纯氧塔塔釜设置再沸器，塔体设含氧流体入口，塔顶设含氮流体出口，塔釜设高纯氧流体出口；所述高纯氧流体出口为高纯氧液体出口和/或气体出口；所述空压机出口与预冷系统入口连接，预冷系统出口连接预纯化器入口，预纯化器出口管路分成两路，一路连接至冷箱内主换热器降温入口，经降温出口连接至高压塔的空气入口；另一路连接至冷箱内膨胀机增压端，由膨胀机增压端连接至主换热器的另一降温入口，再由降温出口连接至膨胀机膨胀端，由膨胀机膨胀端连接至低压塔空气入口；所述高压塔塔顶高纯氮流体出口管路连接至主换热器复热入口，再经复热出口连接至高纯氮产品供应管路；高压塔塔釜富氧流体出口管路连接至过冷器降温入口，过冷器降温出口管路分成两路，一路连接至低压塔富氧流体入口；另一路连接至脱甲烷塔的富氧流体入口；所述低压塔塔顶的纯氮流体出口经液氮泵连接至高压塔的纯氮流体入口；所述脱甲烷塔塔顶的含氧流体出口连接至高纯氧塔含氧流体入口；所述高纯氧塔塔釜的高纯氧液体出口直接连接至高纯氧产品供应管路；高纯氧气体出口连接至主换热器复热入口，再连接至高纯氧产品供应管路。进一步，所述冷箱和预纯化器之间还设有加热器，所述低压塔塔釜的富氧流体出口、脱甲烷塔塔釜的富甲烷流体出口和高纯氧塔塔顶的含氮流体出口通过管路汇合，连接至过冷器复热入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产高纯氧和高纯氮的方法，包括以下步骤：1)将原料空气多级压缩至7～14barg，冷却至30～40℃，进入预冷系统，继续冷却至10～20℃后进行吸附净化，除去水分、CO2和碳原子数在3以上的碳氢化合物，净化后，空气中水含量≤1ppm，二氧化碳含量≤1ppm；2)净化空气进入冷箱，分成两股，一股净化空气直接冷却至‑140～‑170℃后进入高压塔进行精馏；另一股净化空气压缩至9～18barg，再冷却至‑120～‑140℃，然后膨胀至2～4barg，进入低压塔进行精馏；3)高压塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到高纯氮流体，高纯氮流体复热至常温作为高纯氮产品；塔釜得到富氧流体，将富氧流体过冷至‑160～‑180℃后分成两股进行节流，一股节流至2‑4barg后进入低压塔参与精馏，另一股节流至3‑8barg后进入脱甲烷塔进行精馏；4)低压塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到纯氮流体，加压至7～14barg后进入高压塔参与精馏；塔釜得到富氧流体；5)脱甲烷塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到脱除甲烷的含氧流体，节流至0.05～5barg，进入高纯氧塔进行精馏；塔釜得到富甲烷流体；6)高纯氧塔中，来自塔顶下降的冷流体与塔釜加热后上升的热流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到含氮流体；塔釜获得高纯氧产品。...

【技术特征摘要】
1.一种生产高纯氧和高纯氮的方法，包括以下步骤：1)将原料空气多级压缩至7～14barg，冷却至30～40℃，进入预冷系统，继续冷却至10～20℃后进行吸附净化，除去水分、CO2和碳原子数在3以上的碳氢化合物，净化后，空气中水含量≤1ppm，二氧化碳含量≤1ppm；2)净化空气进入冷箱，分成两股，一股净化空气直接冷却至-140～-170℃后进入高压塔进行精馏；另一股净化空气压缩至9～18barg，再冷却至-120～-140℃，然后膨胀至2～4barg，进入低压塔进行精馏；3)高压塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到高纯氮流体，高纯氮流体复热至常温作为高纯氮产品；塔釜得到富氧流体，将富氧流体过冷至-160～-180℃后分成两股进行节流，一股节流至2-4barg后进入低压塔参与精馏，另一股节流至3-8barg后进入脱甲烷塔进行精馏；4)低压塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到纯氮流体，加压至7～14barg后进入高压塔参与精馏；塔釜得到富氧流体；5)脱甲烷塔中，来自塔釜上升的热流体与塔顶冷凝后下降的冷流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到脱除甲烷的含氧流体，节流至0.05～5barg，进入高纯氧塔进行精馏；塔釜得到富甲烷流体；6)高纯氧塔中，来自塔顶下降的冷流体与塔釜加热后上升的热流体进行多次逆流接触，从而实现精馏，塔顶得到含氮流体；塔釜获得高纯氧产品。2.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，所述吸附净化通过分子筛吸附器进行。3.根据权利要求2所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤1)中，进行吸附净化时，两个两并联的分子筛吸附器交替工作：一个工作时，另一个由加热的污氮气进行再生。4.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤2)中，直接冷却的净化空气占净化空气总体积的75％～95％。5.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤3)中，进入脱甲烷塔的富氧流体占富氧流体总体积的10％～40％。6.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤3)中，所述高压塔的操作压力为7～14barg，操作温度为-180℃～-120℃，理论塔板数不少于60块。7.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤4)中，所述低压塔的操作压力为2～4barg，操作温度为-190℃～-160℃，理论塔板数不少于40块。8.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤5)中，所述脱甲烷塔的操作压力为3～8barg，操作温度为-180℃～-150℃，理论塔板数为不少于10块。9.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤6)中，所述高纯氧塔的操作压力为0.05～5barg，操作温度为-196℃～-160℃，理论塔板数不少于50块。10.根据权利要求1所述生产高纯氧和高纯氮的方法，其特征在于，步骤4)-6)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐锋，李伟，陈琪，张金华，
申请(专利权)人：上海宝钢气体有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31