单级精馏设备的空气分离方法技术

本发明专利技术提出一种单级精馏设备的空气分离方法，适用于大规模制取含氧为98～99.5％液态氧产品的液体设备；同时还能制取含氧为100～3ppm纯氮产品；或者附设粗氩或纯氩系统制取粗氩或纯氩产品，对氧、氮、氩均有极高的提取率；应用纯氮气和不纯氮气循环压缩作膨胀气，要求膨胀气体中含有大量的低温液态氮以冷凝精馏塔上升气体；应用了低温液体泵内压缩液氧、液氮制取压力氧氮气产品，特别适用于制取压力氧气产品，并合理组织了流程，设备的能耗极低，金属材料用量少等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于低温精馏空气分离的领域，应用低温精馏的原理分离空气，制取氧、氮、氩的方法。
技术介绍
自1903年德国科学家通过节流和双级精馏方法，诞生了世界上第一台制氧机以来，空气分离技术的发展巳经历了一个世纪的历程；从百年的发展史看，空气分离技术的发展并未摆脱传统理论的模式；压力塔内提馏段的缺失是制约空分技术发展的根本原因，压力塔内提馏段的设置是空气分离技术的发展方向。1903年德国科学家林德制造了世界上第一台10Nm3/h制氧机，它是通过节流和双级精馏方法取得的；1910年法国液空公司通过克劳特循环方法制造了第一台50Nm3/h制氧机，它也是通过双级精馏方法取得的；1939年苏联科学家卡皮查专利技术了具有高效透平膨胀机的低压液化循环流程，同样是通过双级精馏方法分离空气。空气分离技术属于化学工程领域的范畴，是化学工程领域的重要分枝，空气分离具有一定的特殊性；传统的空气分离过程中，由于空气中还存在微量水分、二氧化碳和碳氢化合物，为了清除这些有害杂质，不得不在冷箱内与空气分离同时进行；以前曾通过冻结法在可逆式换热器清除水分和部分二氧化碳，水分和二氧化碳以固体状态存在会阻塞换热器通道、管道、阀门、塔板小孔；而乙炔和碳氢化合物则溶解在液空内，当液空中氧含量太高时，乙炔和碳氢化合物同时也被浓缩，并以固体状态存在于液空中与高浓度的含氧液体会引起化学性爆炸，因此压力塔内液空含氧量不能提得太高，一般在36%左右，就此压力塔不必设置提馏段仅有精馏段的精馏分离就能达到这一纯度，再通过液空吸附器清除液空内的乙炔及其他碳氢化合物，较清洁的液空在低压塔进行再次精馏，有害杂质的存在严重威胁空分设备的安全运行，成为压力塔分离空气的主要矛盾；因此有害杂质存在于液空中使压力塔无法设置提馏段，是制约压力塔精馏潜力的充分发挥，传统的空气精馏过程必须采用双级精馏方法分离空气以制取氧氮产品。空分设备中的氩通常溶解在压力塔釜的液空内，因此希望压力塔顶液氮带走的氩越少越好，为了能有较高的提取率，液氮的含氧保持在1%以下和液空含氧在36%左右，当液空含氧达41 %以上时，则液氮内不含氧，但液氮中含有大量的氩，不利于低压塔氩的提取；因此氧氮氩的分离必须在压力塔上部设置一只低压塔中进行。传统的精馏塔通常以低压液氧作为冷源，通过冷凝器低压侧和压力塔之间以压力差的形式，产生一定的传热温度差冷凝压力塔的上升氮气，由于液氧的冷凝温度较高，压力塔的工作压力也较高，因此空分设备的能耗较大。传统的单级精馏设备仅能制取氧或氮的单一气体，且不能提氩。传统的中压空分设备由于入压力塔的膨胀空气温度高，膨胀气体所获得的有效能低，装置的冷量受到制约。传统的低压空分设备由于入低压塔的膨胀空气温度较高，严重影响低压塔氧、氮、氩的分离效果，因此空分低压塔必须设计得很高，金属材料使用量大；或者膨胀氮气与主换热器热交换气体之间传热温差较大，膨胀气体所获得的有效能较低，且膨胀气量均不能太多，装置的冷量受到制约。“化工原理”指出:多组分溶液的精馏过程应有一个完整的精馏塔，完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段，在这样的精馏塔可将一个双组分混合体连续地、高纯度地分离为轻、重两组分；在对于分离N个多组分溶液则通过用N-1个单级精馏塔的精馏分离过程，以获得所有产品。显然传统的空气分离设备从它诞生之日起至今的百年历史，由于当时科学技术水平还不够发达的原因，无法遵循“化工原理”的精馏过程。空气分离属于氧氮氩三组份分离的过程，根据“化工原理”的三组分离原理，通过两个完整的单级精馏塔即可以达到精馏分离的目的，因此完全有可能实现精馏过程两者的统一。空分设备采用常温分子筛吸附原理后，原料空气中的有害杂质如水份、二氧化碳以及乙炔等碳氢化合物在进入冷箱之前巳被基本清除，基本排除了严重威胁空分设备安全运行的主要矛盾，因此完全有可能采用一只单级精馏塔分离空气，在塔内设置提馏段和精馏段，把液空中含氧量大幅提高，以实现空分设备能耗大幅度降低，精馏塔内规正填料的采用进一步降低了能耗。
技术实现思路
本专利技术提出一种，适用于大规模制取含氧为98?99.5%液态氧产品的液体设备；同时还能制取含氧为100?3ppm纯氮产品；或者附设粗氩或纯氩系统制取粗氩或纯氩产品，对氧、氮、氩均有极高的提取率；应用纯氮气和不纯氮气循环压缩作膨胀气，要求膨胀气体中含有大量的低温液态氮以冷凝精馏塔上升气体；应用了低温液体泵内压缩液氧、液氮制取压力氧氮气产品，特别适用于制取压力氧气产品，并合理组织了流程，设备的能耗极低，金属材料用量少等优点。1.精馏设备由换热器组、精馏塔和膨胀机系统组成:精馏塔由精馏段、提馏段和底部再沸器，以及精馏塔顶部设置复合冷凝器或不设置冷凝器二种类型组成；应用纯氮气和不纯氮气循环压缩作膨胀气进入复合冷凝器或精馏塔作塔的冷源，引入膨胀氮气循环倍率概念N ;应用压缩原料空气和被低温液体泵压缩的低温氧氮液体加热汽化后作塔釜内富氧液体的热源；二种类型的精馏塔的工作范围分别约在0.145?0.165MPa和0.125?0.140Mpa压力之间；精馏塔附设粗氩塔或精氩塔制取粗氩或精氩。2.巳被除水器除去水分和常温分子筛吸附器净化后的压缩原料空气，经主换热器冷却后全部或部分进入塔釜再沸器作低温液氧的加热气体，塔釜内低温液氧被加热后含氧量提高的同时，原料空气被冷却液化；当有部分原料气体旁通时，被冷却液化后的原料空气出塔后与旁通部分原料空气汇合，再经过冷器冷却液化减压后进入精馏塔中部进行精馏分离；精馏塔塔釜与原料空气入口处之间设置提馏段。3.从精馏塔塔釜获得含氧98?99.5 %的部分低温液氧和从精馏塔顶部引出的部分低温液氮，分别被低温液体泵压缩到不低于压力塔塔釜内液体温度所对应的低温液体临界液化压力后，经主换热器等换热器复热汽化到不低于压力塔釜内液体温度后，进入塔釜再沸器作塔釜低温液体的热源，经塔釜低温液体冷却液化，出塔后的低温液体分别经换热器组复热汽化至常温后作压力氧氮气产品；从精馏塔下部引出含氧98?99.5%的低温氧气经主换热器复热至常温后出装置作低压氧产品气；从精馏塔顶部和塔釜分别获得部分低温液氮和液氧。4.原料空气在塔内精馏后，精馏塔顶部引出的纯氮气和从精馏塔上部引出含氧不高于4%的不纯氮气经换热器组复至常温后，分别经循环压缩机压缩后进入增压机中增压，增压气体分别在主换热器冷却后进入膨胀机作绝热膨胀。通过旁通伐调节进入氮膨胀机入口管道气体温度。空分塔设置冷凝器的流程:膨胀气体分别进入复合冷凝器的上、下冷凝器作塔的冷源。空分塔未设置冷凝器的流程:纯氮气膨胀气体进入精馏塔顶部作塔的冷源，不纯氮气膨胀气体经气液分离器后，分离液体进入精馏塔上部适当部位作塔的冷源。5.弓I入膨胀氮气循环倍率概念N，要求膨胀氮气循环倍率N = A/B > I，使精馏塔内的回流比达到常规值。6.精馏塔附设一只粗氩塔进行精馏分离制取粗氩，粗氩塔由塔体和塔顶冷凝器所组成；从空分精馏塔所设置的提馏段氩馏份富集区引出部分氩馏份气体进入粗氩塔下部作原料气；空分塔有设置冷凝器和未设置冷凝器的两种流程:从空分精馏塔顶部或上部引出部分低温纯液氮(纯氮气)或不纯液氮(不纯氮气)进入粗氩塔顶部冷凝器作粗氩塔的冷源，原料气在粗氩塔精馏后，粗氩塔底部所获得的富氧液体仍回本文档来自技高网...

【技术保护点】
精馏设备由换热器组、精馏塔和膨胀机系统组成：精馏塔由精馏段、提馏段和底部再沸器，以及精馏塔顶部设置复合冷凝器或不设置冷凝器二种类型组成；应用纯氮气和不纯氮气循环压缩作膨胀气进入复合冷凝器或精馏塔作塔的冷源，引入膨胀氮气循环倍率概念N；应用压缩原料空气和被低温液体泵压缩的低温氧氮液体加热汽化后作塔釜内富氧液体的热源；二种类型的精馏塔的工作范围分别约在0.145～0.165MPa和0.125～0.140Mpa压力之间；精馏塔附设粗氩塔或精氩塔制取粗氩或精氩。

【技术特征摘要】
1.精馏设备由换热器组、精馏塔和膨胀机系统组成:精馏塔由精馏段、提馏段和底部再沸器，以及精馏塔顶部设置复合冷凝器或不设置冷凝器二种类型组成；应用纯氮气和不纯氮气循环压缩作膨胀气进入复合冷凝器或精馏塔作塔的冷源，引入膨胀氮气循环倍率概念N ;应用压缩原料空气和被低温液体泵压缩的低温氧氮液体加热汽化后作塔釜内富氧液体的热源；二种类型的精馏塔的工作范围分别约在0.145?0.165MPa和0.125?0.140Mpa压力之间；精馏塔附设粗氩塔或精氩塔制取粗氩或精氩。2.巳被除水器除去水分和常温分子筛吸附器净化后的压缩原料空气，经主换热器冷却后全部或部分进入塔釜再沸器作低温液氧的加热气体，塔釜内低温液氧被加热后含氧量提高的同时，原料空气被冷却液化；当有部分原料气体旁通时，被冷却液化后的原料空气出塔后与旁通部分原料空气汇合，再经过冷器冷却液化减压后进入精馏塔中部进行精馏分离；精馏塔塔釜与原料空气入口处之间设置提馏段。3.从精馏塔塔釜获得含氧98?99.5%的部分低温液氧和从精馏塔顶部引出的部分低温液氮，分别被低温液体泵压缩到不低于压力塔塔釜内液体温度所对应的低温液体临界液化压力后，经主换热器等换热器复热汽化到不低于压力塔釜内液体温度后，进入塔釜再沸器作塔釜低温液体的热源，经塔釜低温液体冷却液化，出塔后的低温液体分别经换热器组复热汽化至常温后作压力氧氮气产品；从精馏塔下部引出含氧98?99.5%的低温氧气经主换热器复热至常温后出装置作低压氧产品气；从精馏塔顶部和塔釜分别获得部分低温液氮和液氧。4.原料空气在塔内精馏后，精馏塔顶部引出的纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙克锟，
申请(专利权)人：孙克锟，
类型：发明
国别省市：