單級精餾設(shè)備分離空氣的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低溫精餾空氣分離的領(lǐng)域，應(yīng)用低溫精餾的原理分離空氣，制取氧、氮、氬的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1903年德國科學(xué)家通過節(jié)流和雙級精餾方法，誕生了世界上第一臺制氧機以來，空氣分離技術(shù)的發(fā)展巳經(jīng)歷了一個世紀(jì)的歷程；從百年多的發(fā)展史看，空氣分離技術(shù)的發(fā)展并未擺脫傳統(tǒng)理論的模式；壓力塔內(nèi)提餾段的缺失是制約空分技術(shù)發(fā)展的根本原因，壓力塔內(nèi)提餾段的設(shè)置是空氣分離技術(shù)的發(fā)展方向。
[0003]1903年德國科學(xué)家林德制造了世界上第一臺10Nm3/h制氧機，它是通過節(jié)流和雙級精餾方法取得的；1910年法國液空公司通過克勞特循環(huán)方法制造了第一臺50Nm3/h制氧機，它也是通過雙級精餾方法取得的；1939年蘇聯(lián)科學(xué)家卡皮查發(fā)明了具有高效透平膨脹機的低壓液化循環(huán)流程，同樣是通過雙級精餾方法分離空氣。
[0004]空氣分離技術(shù)屬于化學(xué)工程領(lǐng)域的范疇，是化學(xué)工程領(lǐng)域的重要分枝，空氣分離具有一定的特殊性；傳統(tǒng)的空氣分離過程中，由于空氣中還存在微量水分、二氧化碳和碳?xì)饣衔?，為了清除這些有害雜質(zhì)，不得不在冷箱內(nèi)與空氣分離同時進(jìn)行；以前曾通過凍結(jié)法在可逆式換熱器清除水分和部分二氧化碳，水分和二氧化碳以固體狀態(tài)存在會阻塞換熱器通道、管道、閥門、塔板小孔；而乙炔和碳?xì)浠衔飫t溶解在液空內(nèi)，當(dāng)液空中氧含量太高時，乙炔和碳?xì)浠衔锿瑫r也被濃縮，并以固體狀態(tài)存在于液空中與高濃度的含氧液體會引起化學(xué)性爆炸，因此壓力塔內(nèi)液空含氧量不能提得太高，一般在36%左右，就此壓力塔不必設(shè)置提餾段僅有精餾段的精餾分離就能達(dá)到這一純度，再通過液空吸附器清除液空內(nèi)的乙炔及其他碳?xì)浠衔铮^清潔的液空在低壓塔進(jìn)行再次精餾，有害雜質(zhì)的存在嚴(yán)重威脅空分設(shè)備的安全運行，成為壓力塔分離空氣的主要矛盾；因此有害雜質(zhì)存在于液空中使壓力塔無法設(shè)置提餾段，是制約壓力塔精餾潛力的充分發(fā)揮，傳統(tǒng)的空氣精餾過程必須采用雙級精餾方法分離空氣以制取氧氮氬產(chǎn)品。
[0005]空分設(shè)備中的氬通常溶解在壓力塔釜的液空內(nèi)，因此希望壓力塔頂液氮帶走的氬越少越好，為了能有較高的提取率，液氮的含氧保持在I %以下和液空含氧在36%左右，當(dāng)液空含氧達(dá)41%以上時，則液氮內(nèi)不含氧，但液氮中含有大量的氬，不利于低壓塔氬的提取；因此氧氮氬的分離必須在壓力塔上部設(shè)置一只低壓塔中進(jìn)行。
[0006]傳統(tǒng)的單級精餾設(shè)備僅能制取氧或氮的單一氣體，且不能提氬。
[0007]傳統(tǒng)的中壓空分設(shè)備由于入壓力塔的膨脹空氣溫度高，膨脹氣體所獲得的有效能低，裝置的冷量受到制約。
[0008]傳統(tǒng)的低壓空分設(shè)備由于入低壓塔的膨脹空氣溫度較高，嚴(yán)重影響低壓塔氧氮氬的分離效果，因此空分低壓塔必須設(shè)計得很高，金屬材料使用量大；或者膨脹氮氣與主換熱器熱交換氣體之間傳熱溫差較大，使膨脹氣體所獲得的有效能大大降低，且膨脹氣量均不能太多，裝置的冷量受到制約。
[0009]傳統(tǒng)的精餾塔通常把恒定的低溫液體作塔體冷源，或以冷凝蒸發(fā)器的形式以恒定的壓力差，形成恒定的溫差，產(chǎn)生恒定的回流液，如壓力塔頂向低壓塔頂輸送的低溫液氮，低壓塔與壓力塔中間的冷凝蒸發(fā)器，形成回流液與上升氣體進(jìn)行熱質(zhì)交換，使上升氣體中氬和氧被冷凝；傳統(tǒng)的精餾塔塔內(nèi)各段液氣比是恒定的，由于液氧的冷凝溫度較高，壓力塔的工作壓力也較高，因此空分設(shè)備的能耗較大。
[0010]最后一個問題是:由于傳統(tǒng)流程中的精餾塔以前均采用篩板的結(jié)構(gòu)形式配置，直至最近的數(shù)十年采用了規(guī)整填料，但是空氣在精餾塔內(nèi)精餾分離后出塔的純氮氣、純液氮、不純氮氣的低溫有效能均無法充分利用！因此無論如何組織單級塔的流程，永遠(yuǎn)解決不了精餾塔的冷量問題！
[0011]縱上所述:傳統(tǒng)流程中精餾塔的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)適應(yīng)不了單級精餾塔的空分流程！
[0012]“化工原理”指出:多組分溶液的精餾過程應(yīng)有一個完整的精餾塔，完整的精餾塔應(yīng)包括精餾段和提餾段，在這樣的精餾塔可將一個雙組分混合體連續(xù)地、高純度地分離為輕、重兩組分；在對于分離N個多組分溶液則通過用N-1個單級精餾塔的精餾分離過程，以獲得所有產(chǎn)品。顯然傳統(tǒng)的空氣分離設(shè)備從它誕生之日起至今的百年歷史，由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)水平還不夠發(fā)達(dá)的原因，無法遵循“化工原理”的精餾過程。
[0013]空氣分離屬于氧氮氬三組份分離的過程，根據(jù)“化工原理”的三組分離原理，通過兩個完整的單級精餾塔即可以達(dá)到精餾分離的目的，因此完全有可能實現(xiàn)精餾過程兩者的統(tǒng)一 O
[0014]空分設(shè)備采用常溫分子篩吸附原理后，原料空氣中的有害雜質(zhì)如水份、二氧化碳以及乙炔等碳?xì)浠衔镌谶M(jìn)入冷箱之前巳被基本清除，基本排除了嚴(yán)重威脅空分設(shè)備安全運行的主要矛盾，因此完全有可能采用一只單級精餾塔分離空氣，在塔內(nèi)設(shè)置提餾段和精餾段，把液空中含氧量大幅提高，以實現(xiàn)空分設(shè)備能耗大幅度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提出一種單級精餾設(shè)備的空氣分離方法，適用于大規(guī)模制取含氧99.5%液態(tài)氧產(chǎn)品的液體設(shè)備；同時還能制取含氧為1ppm?3ppm純氮產(chǎn)品；附設(shè)提IS塔制取純IS產(chǎn)品，對氧、氮、氬均有極高的提取率；應(yīng)用不純氮氣循環(huán)壓縮后作膨脹氣，應(yīng)用低溫液體泵內(nèi)壓縮液氧、液氮制取壓力氧氮氣產(chǎn)品；采用了以熱交換器構(gòu)建成精餾塔的全新方法；本發(fā)明的能耗極低，金屬材料用量少等優(yōu)點。
[0016]1.精餾設(shè)備由換熱器組、精餾塔和膨脹機系統(tǒng)組成:精餾塔由精餾段、提餾段和底部再沸器組成；應(yīng)用不純氮氣循環(huán)壓縮作膨脹氣進(jìn)入精餾塔作塔的冷源；應(yīng)用壓縮原料空氣和被低溫液體泵壓縮的低溫氧液體加熱汽化后進(jìn)入再沸器作塔釜內(nèi)富氧液體的熱源；附設(shè)提IS塔制取精I(xiàn)S。
[0017]2.精餾塔精餾段和提餾段由若干熱交換器組成；通入出塔后已被分離的純氮氣、不純氮氣自上而下再進(jìn)精餾塔所設(shè)置的熱交換器組相應(yīng)通道內(nèi)，與塔內(nèi)換熱器空氣通道中的上升蒸汽進(jìn)行熱交換，上升蒸氣中的氧和氬根據(jù)溫度持續(xù)降低進(jìn)行連續(xù)精餾分離而被不斷冷凝，在精餾塔頂部換熱器空氣通道可獲純氮產(chǎn)品，分離氣體在換熱器組內(nèi)被上升氣體復(fù)熱后出塔。
[0018]3.巳被除水器除去水分和常溫分子篩吸附器凈化后的壓縮原料空氣，經(jīng)主換熱器冷卻后進(jìn)入塔釜再沸器作低溫液氧的加熱氣體，塔釜內(nèi)低溫液氧被加熱后含氧量提高的同時原料空氣被冷卻液化。
[0019]4.被冷卻液化的原料空氣出塔后與旁通部分原料空氣匯合，自下而上進(jìn)入精餾塔提餾段換熱器的壓力空氣通道內(nèi)被換熱器冷卻氣體通道內(nèi)的分離氣體冷卻液化過冷，出提餾段后再經(jīng)減壓伐減壓進(jìn)入精餾塔中部的空氣精餾通道進(jìn)行精餾分離；精餾塔塔釜與原料空氣入口處之間設(shè)置的換熱器段即稱提餾段。
[0020]5.從精餾塔塔釜獲得含氧99.5%的部分低溫液氧，被低溫液體泵壓縮到不低于壓力塔塔釜內(nèi)液體溫度所對應(yīng)的低溫液體臨界液化壓力后，經(jīng)主換熱器等換熱器復(fù)熱汽化到不低于壓力塔釜內(nèi)液體溫度后，進(jìn)入塔釜再沸器作塔釜低溫液體的熱源，低溫液體冷卻液化出塔后經(jīng)換熱器組復(fù)熱汽化至常溫后作壓力氧氣產(chǎn)品；從精餾塔下部引出含氧99.5%的低溫氧氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱至常溫后出裝置作低壓氧產(chǎn)品氣。
[0021]6.從精餾塔塔頂獲得的部分低溫液氮出塔后被低溫液體泵壓縮至一定壓力，自上而下再進(jìn)入精餾塔所設(shè)置的換熱器通道內(nèi)被空氣通道內(nèi)的上升蒸汽復(fù)熱出塔后，經(jīng)主換熱器復(fù)熱至常溫后作壓力氮氣產(chǎn)品。
[0022]7.原料空氣在塔內(nèi)的熱交換器空氣分離通道內(nèi)精餾分離后，從精餾塔上部熱交換器空氣分離通道內(nèi)引出的不純氮氣經(jīng)塔內(nèi)和裝置的換熱器組相應(yīng)通道內(nèi)復(fù)熱至常溫，經(jīng)循環(huán)壓縮機壓縮后進(jìn)入增壓機中增壓，增壓氣體在換熱器組冷卻至一定溫度后進(jìn)入膨脹機作絕熱膨脹，膨脹氮氣則進(jìn)入塔內(nèi)所設(shè)置熱交換器不純氮氣通道內(nèi)與塔內(nèi)換熱器空氣分離通道內(nèi)的上升氣體復(fù)熱后出塔。