通过低温精馏从空气中生产高纯氮和氧气的方法及设备技术

本发明专利技术公开了通过低温精馏从空气中生产高纯氮和氧气的方法及设备，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。本发明专利技术充分考虑了各方面因素以实现生产高纯氮和氧气设备的平稳、高效、低能耗的运行。

Method and equipment for producing high-purity nitrogen and oxygen from air by low temperature rectification

The invention discloses the method and equipment for producing high purity nitrogen and oxygen from air through low temperature distillation. It can meet the demand of nitrogen and oxygen in the market at the same time. While the production is guaranteed, the requirement for the purity of nitrogen and oxygen can be realized. The invention fully considers various factors to realize the smooth, efficient and low energy consumption operation of producing high-purity nitrogen and oxygen equipment.

【技术实现步骤摘要】
通过低温精馏从空气中生产高纯氮和氧气的方法及设备
本专利技术涉及通过低温精馏生产高纯氮和氧气的方法及设备。
技术介绍
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。中国技术专利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。但是本技术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。
技术实现思路
本专利技术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。为了解决上述问题，公开了一种通过低温精馏从空气中生产高纯氮和氧气的方法。首先向第一蒸馏塔的第一蒸馏区段提供经压缩、纯化、冷却的第一原料空气，并在第一蒸馏塔中将第一原料空气分离为在上部的第一富氮蒸气和塔底的第一富氧液体，第一富氮蒸气可被分成至少两部分，其中第一部分第一富氮蒸气和第一富氧液体在第一冷凝器间接热交换，使第一富氮蒸气冷凝生成第一部分富氮冷凝液，同时第一富氧液体的至少一部分被汽化，生成第二富氮蒸气和高氧量液体。可选地，可以将至少部分第一富氮蒸气取出作为氮气产品。然后至少部分高氧量液体与第二部分第一富氮蒸气在第二冷凝器进行间接热交换，使第二部分第一富氮蒸气冷凝生成第二部分富氮冷凝液，同时至少部分高氧量液体被汽化，生成第一废物流。其中第一废物流含有高于46摩尔百分数的氧。将至少部分富氮冷凝液作为回流液返回到第一蒸馏塔，可选地，也可以将部分富氮冷凝液取出作为液氮产品。将至少部分第二富氮蒸气经第一压缩机形成第一循环流，其中第一循环流含有25-29摩尔百分数的氧，并将其输送入第一蒸馏塔的第二蒸馏区段，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。从第二冷凝器中汽化后余下的高氧量液体中抽取第二富氧液体，经膨胀后送入第二蒸馏塔，膨胀后的第二富氧液体包含液体部分和气体部分，液体部分向下流动到位于第二蒸馏塔下部空间的重沸器，所述气体部分上升并在第二蒸馏塔的顶部生成第二废物流，该第二废物流经第二主热交换器复热后，至少部分经第二压缩机压缩后生成第二循环流，在第二主热交换器中，第二循环流与经压缩纯化后的第二原料空气，可在和高压液氧以及第二废物流间接换热并冷却后，输入第二蒸馏塔下部空间。第二蒸馏塔下部空间含有贫氧蒸汽和贫氧液体，至少部分贫氧蒸汽作为热源被输送入再沸器，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返回第二蒸馏塔下部空间。抽取再沸器中剩余的液氧，可经液氧泵增压后，在第二主热交换器中复热后作为氧气产品输出。抽取第二蒸馏塔下部空间中的贫氧液体且分成至少两部分，第一部分贫氧液体经膨胀后被引入第二蒸馏塔上部空间作为回流液，第二部分贫氧液体经膨胀后可与第一富氧液体混合并被送入第一冷凝器。低温精馏过程所需的冷量由在膨胀机中膨胀至少部分的废物流和/或所述第一原料空气来提供。其中第一压缩机和膨胀机是机械相联的。本专利技术还公开了一种通过低温精馏从空气中生产高纯氮和氧气的设备，该设备包括：将原料空气净化、压缩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部分所述的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，使所述第一富氧液体至少部分汽化，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汽化，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。用以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，第二蒸馏塔下部空间及用来重沸液氧的重沸器。用以将在第二蒸馏塔上部空间生成的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。将重沸器中的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，并作为产品输出的管路。将第二蒸馏塔下部空间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。将至少部分所述废物流和/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，所述的第一压缩机和膨胀机是机械相联的。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。采用本专利技术公开中生产高纯氮和氧气的方法及设备，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。本专利技术充分考虑了各方面因素以实现生产高纯氮和氧气设备的平稳、高效、低能耗的运行。附图说明本专利技术中的附图仅作为对本专利技术的示意，供理解和解释本专利技术的精神，但不在任何方面对本专利技术加以限定。图1是本专利技术一个实施例的示意图。具体实施方式在本专利技术中，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7，在第一蒸馏塔2中，被冷却的第一原料空气通过第一蒸馏区段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，在第一蒸馏塔本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过低温精馏从空气中生产高纯氮和氧气的方法，包括：（a）向第一蒸馏塔(2)的第一蒸馏区段(7)提供经压缩、纯化、冷却的第一原料空气(101)；（b）在所述的第一蒸馏塔(2)中将所述第一原料空气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)；（c）第一部分第一富氮蒸气(105)和第一富氧液体(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)，并使第一富氧液体(103)至少部分汽化，生成第二富氮蒸气(125)和高氧量液体(113)；（d）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）将至少部分所述的富氮冷凝液(111,115)作为回流液返回到所述第一蒸馏塔(2)；（f）将至少部分所述的第二富氮蒸气(125)经第一压缩机(31)形成第一循环流(131)，并输送入第一蒸馏塔(2)的第二蒸馏区段(8)，其中，第二蒸馏区段(8)位于第一蒸馏区段(7)下方且间隔至少一个理论塔板数；（g）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(133)，经膨胀后送入第二蒸馏塔(20)，膨胀后的第二富氧液体(133)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(20)下部的重沸器(24)，所述气体部分上升并在顶部生成第二废物流(144)，该第二废物流经第二主热交换器(41)复热后，至少部分经第二压缩机(32)压缩后生成第二循环流(145)，在第二主热交换器(41)中，第二循环流(145)与经压缩纯化后的第二原料空气(141)，可在和高压液氧(152)以及第二废物流(144)间接换热并冷却后，输入第二蒸馏塔下部空间(25);（h）第二蒸馏塔下部空间(25)含有贫氧蒸汽和贫氧液体，至少部分贫氧蒸汽(146)作为热源被输送入再沸器(24)，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(147)返回第二蒸馏塔下部空间(25)；抽取再沸器(24)中剩余的液氧(151)，可经液氧泵(42)增压后，在第二主热交换器(41)中复热后作为氧气产品(153)输出；（i）抽取第二蒸馏塔下部空间(25)中的贫氧液体且分成至少两部分，第一部分贫氧液体(142)经膨胀后被引入第二蒸馏塔上部空间(21)作为回流液，第二部分贫氧液体(143)经膨胀后可与第一富氧液体混合并被送入第一冷凝器(3);（j）可选地，至少部分第一富氮蒸气(105,114)可取出作为氮气产品(134)；（k）可选地，至少部分富氮冷凝液(111,115)可取出作为液氮产品(112)；其中，至少部分所述第一废物流(121)和/或所述第一原料空气(101)在膨胀机(30)中发生膨胀，为所述低温精馏过程提供所需的冷量。...

【技术特征摘要】
1.通过低温精馏从空气中生产高纯氮和氧气的方法，包括：（a）向第一蒸馏塔(2)的第一蒸馏区段(7)提供经压缩、纯化、冷却的第一原料空气(101)；（b）在所述的第一蒸馏塔(2)中将所述第一原料空气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)；（c）第一部分第一富氮蒸气(105)和第一富氧液体(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)，并使第一富氧液体(103)至少部分汽化，生成第二富氮蒸气(125)和高氧量液体(113)；（d）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）将至少部分所述的富氮冷凝液(111,115)作为回流液返回到所述第一蒸馏塔(2)；（f）将至少部分所述的第二富氮蒸气(125)经第一压缩机(31)形成第一循环流(131)，并输送入第一蒸馏塔(2)的第二蒸馏区段(8)，其中，第二蒸馏区段(8)位于第一蒸馏区段(7)下方且间隔至少一个理论塔板数；（g）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(133)，经膨胀后送入第二蒸馏塔(20)，膨胀后的第二富氧液体(133)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(20)下部的重沸器(24)，所述气体部分上升并在顶部生成第二废物流(144)，该第二废物流经第二主热交换器(41)复热后，至少部分经第二压缩机(32)压缩后生成第二循环流(145)，在第二主热交换器(41)中，第二循环流(145)与经压缩纯化后的第二原料空气(141)，可在和高压液氧(152)以及第二废物流(144)间接换热并冷却后，输入第二蒸馏塔下部空间(25);（h）第二蒸馏塔下部空间(25)含有贫氧蒸汽和贫氧液体，至少部分贫氧蒸汽(146)作为热源被输送入再沸器(24)，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(147)返回第二蒸馏塔下部空间(25)；抽取再沸器(24)中剩余的液氧(151)，可经液氧泵(42)增压后，在第二主热交换器(41)中复热后作为氧气产品(153)输出；（i）抽取第二蒸馏塔下部空间(25)中的贫氧液体且分成至少两部分，第一部分贫氧液体(142)经膨胀后被引入第二蒸馏塔上部空间(21)作为回流液，第二部分贫氧液体(143)经膨胀后可与第一富氧液体混合并被送入第一冷凝器(3);（j）可选地，至少部分第一富氮蒸气(105,114)可取出作为氮气产品(134)；（k）可选地，至少部分富氮冷凝液(111,115)可取出作为液氮产品(112)；其中，至少部分所述第一废物流(121)和/或所述第一原料空气(101)在膨胀机(30)中发生膨胀，为所述低温精馏过程提供所需的冷量。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述的第一循环流(131)含有25-29摩尔百分数的氧，所述第一废物流(121)含有高...

【专利技术属性】
技术研发人员：廣瀬·献児，富田·伸二，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR