專利名稱：利用氧氮液化裝置制取高純氧的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空氣分離方法，具體是制取高純氧的方法。
背景技術：
氧普遍存在于自然界。人們通過多種工藝方法將其從化合物或混合物中分離提純出高純度的氧(彡99. 999% ν/ν采用GB/T14599-2008中術語)，現(xiàn)在廣泛應用于集成電路和半導體器件的生產、光電行業(yè)、標準混合氣的配制、科學研究等領域。目前工業(yè)化批量生產高純氧主要通過以下三條途徑實現(xiàn)氧的制取和提純(一)水電解+化學方法( 二 )變壓吸附+化學方法(三)低溫精餾方法其中(一)、(二)兩種方法其工藝過程均為氣態(tài)氧的過程，其最終的產品也為氣態(tài)。通過貯氣罐或金屬制壓力容器將其貯存，實現(xiàn)產品的運輸，因此量不大且效率低。同時， 所采用化學方法也對工業(yè)生產規(guī)模形成一定制約。不太適合遠距離運輸，不太適合大量儲存。也難適應現(xiàn)代化企業(yè)對高純氧越來越大的需求。第(三)種工藝方法是指在低溫狀態(tài)下將空氣進行分離。其原理可簡述為將原料空氣液化，然后根據(jù)空氣所含組分(例如氧、氮、氬)沸點的不同，采用低溫精餾的方法分離出氧、氮、氬等。該方法的工藝路線，一般均與氬提取，或氪、氙提取相結合并可直接獲得液態(tài)的高純氧。由于氬、氪、氙等均為稀有氣體，所以帶有這類流程的空氣分離裝置一般規(guī)模均較大，當然投資也大。另外，局限于空氣分離裝置制取冷量的能力(冷量行業(yè)術語，一般指低于大氣環(huán)境的能量值)和能量平衡，其高純氧的產量也受到很大制約。也就是現(xiàn)行的低溫精餾方法可直接獲得液態(tài)的高純氧，其較之(一)(二)兩種方法更易貯存，運輸更方便、高效。但是必須依托一個大型空分裝置，投資量十分大，產量則受到空分裝置制冷量的限制。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種高純氧制取方法，該方法應具有高純氧產品產量高、投資少、成本較低的特點。本發(fā)明提供的技術方案是利用氧氮液化裝置制取高純氧的方法，同時進行以下作業(yè)流程a、氧氮液化裝置輸出的氮氣通入第一精餾塔蒸發(fā)器中的吸收腔后吸收冷量，轉換為液氮后輸回氧氮液化裝置；b、氧氮液化裝置輸出的液氮送入第二精餾塔冷凝器后放出冷量，轉換為氮氣后輸回氧氮液化裝置；C、將氧氮液化裝置輸出的液氧送入第一精餾塔放出冷量，其中蒸發(fā)溫度高于氧的組分以液態(tài)形式從第一精餾塔蒸發(fā)器底端的排放管進行排放；其余放出冷量后蒸發(fā)的氣體送入第二精餾塔冷凝器中的吸收腔吸收冷量，其中蒸發(fā)溫度低于氧的組分以氣態(tài)形式從該吸收腔的排放口進入大氣排放，剩余組分進入第二精餾塔進一步精餾，獲得液態(tài)高純氧產品后輸出；所述第一精餾塔和第二精餾塔分開布置；第一精餾塔固定在第一精餾塔蒸發(fā)器頂端且與該蒸發(fā)器連通；第二精餾塔冷凝器固定在第二精餾塔頂端；第一精餾塔蒸發(fā)器內液氧的蒸發(fā)溫度小于氮氣的液化溫度，分別通過控制液氧的壓力以及控制氮氣的壓力實現(xiàn)； 第二精餾塔冷凝器內液氮的蒸發(fā)溫度小于氧氣的液化溫度，分別通過控制液氮的壓力以及控制氧氣的壓力實現(xiàn)。所述第一精餾塔頂端輸出口還通過與氧氮液化裝置相通的管道輸出低壓氧氣。所述第二精餾塔的底端還設置有液氧排放管。所述第二精餾塔冷凝器中的吸收腔，其氧氣進口以及液氧出口分別通過管道與第二精餾塔相通。本發(fā)明的工作原理是1、由于液化系統(tǒng)輸入第一精餾塔的液氧壓力低，而液化系統(tǒng)輸入第一精餾塔蒸發(fā)器的氮氣壓力高，所以液氧的蒸發(fā)溫度要低于氮氣的液化溫度(例如實施例中的第一精餾塔的液氧壓力為0. 43MPa時，蒸發(fā)溫度為-166. 6°C，而液化系統(tǒng)提供的氮氣在壓力為 1. 316MPa時，液化溫度為-165. 0°C，兩者溫差0. 6°C )。這樣，氮氣的冷凝和液氧的蒸發(fā)可同時進行。2、由于第二精餾塔內上升氧氣的壓力低，而液化系統(tǒng)提供的液氮壓力高，所以液氮的蒸發(fā)溫度要低于氧氣的液化溫度(例如實施例中第二精餾塔內的上升氧氣的壓力為0. 4MPa時，液化溫度為-167. 2V，而液化系統(tǒng)提供的液氮在壓力為0. 9MPa時，蒸發(fā)溫度為-171°C，兩者溫差3.8°C )。這樣，氧氣的冷凝和液氮的蒸發(fā)就可同時進行。本發(fā)明的有益效果是首先，本方法無需依托大型空氣分離工藝裝置以及它配屬的提取氬、氪、氙等稀有氣體的生產流程，所以投資至少要小一個數(shù)量級，流程更高效，大大降低了液態(tài)高純氧的生產門檻。其次，采用本工藝方法只需要對現(xiàn)有氧氮液化裝置工藝流程作一個增加配置即可達到目的，簡便易行見效快。第三，制冷量充足，高純氧產量高。另外，還具有低溫精餾方法的一切優(yōu)點，而無背景技術所述的(一)(二)兩種方法的局限。


圖1是本發(fā)明實施例之一的工藝流程示意圖。圖2是本發(fā)明中的第一精餾塔蒸發(fā)器的結構示意圖。圖3是本發(fā)明中的第二精餾塔冷凝器的結構示意圖。圖4是氧氮液化裝置的結構示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)有的氧氮液化裝置的結構如圖4所示用戶供2. OMPa氮氣經過膨脹機增壓輪 BT增壓，水冷卻器S冷卻至40°C后進入主換熱器E1，從主換熱器El中部抽出進入冷凍機 RU冷卻，然后進主換熱器繼續(xù)冷卻；之后，其中一部分抽出進膨脹機ET膨脹，提供液化系統(tǒng)所需要的大部分冷量，膨脹后的低溫流體作為冷卻介質進入主換熱器，復熱后出系統(tǒng)；另一部分(小部分)氮氣在主換熱器El中繼續(xù)被冷卻液化，出主換熱器El后被節(jié)流到0. 3MPa 進入過冷器E2過冷，過冷后的液氮大部分作為液氮產品(氧工況時作為返流冷源)進入液氮貯存系統(tǒng)，少量過冷液氮節(jié)流后作為過冷器的冷源，依次經過冷器E2、主換熱器E1，被復熱到常溫后去循環(huán)系統(tǒng)(低壓管網或氮壓機入口)。來自管網的中壓氧氣1. 6-2. 經氧換熱器E3冷卻并液化后節(jié)流去液氧貯存系統(tǒng)。氧換熱器E3的冷源為來自產品液氮，產品液氮大部分在氧換熱器中復熱至常溫；小部分在氧換熱器中復熱到一定溫度后與出過冷器E2的低壓返流氮氣匯合，在主換熱器El中復熱至常溫后去低壓管網或循環(huán)氮壓機入口。本發(fā)明配套利用氧氮液化裝置后，具有以下特點1、具有充足的冷量來源如前所述第(三)種低溫精餾方法，高純氧的產量受到一個約束；那是因為整套空氣分離裝置配套的制冷量是有限度的。在帶有高純氧的流程中，無論提取氬、提取氪、氙均要消耗足夠多的冷量；因而，高純氧部分能分配到的冷量很有限。本發(fā)明利用的氧氮液化裝置具有十分豐富的制冷量，使高純氧在產量上的瓶頸被打開。2、必須采用精餾方法解決高純氧的純度問題由于沒有提取氬或者提取氪、氙部分的重要前處理，直接采用來自氧氮液化裝置的原料氧(通?？偸枪I(yè)氧；其雜質組成更復雜)，對其中甲烷、其它烴類、及氪、氙組分均必須采用精餾方法進行凈化；特別要采用單獨的精餾工藝去除甲烷至< 0. 5X 10-6v/vo以下通過實施例進一步說明，實施例a、氧氮液化裝置YD輸出的氮氣通入第一精餾塔蒸發(fā)器Kl的吸收腔Gl后吸收冷量，轉換為液氮后輸回氧氮液化裝置；b、氧氮液化裝置輸出的液氮送入第二精餾塔冷凝器K2后放出冷量，轉換為氮氣后輸回氧氮液化裝置；C、將氧氮液化裝置輸出的液氧送入第一精餾塔后放出冷量，其中蒸發(fā)溫度高于氧的組分(碳氫化合物、氪、氙等，主要是甲烷)予以排放(從第一精餾塔蒸發(fā)器Ki底端的排放管排放至專用貯槽)；其余放出冷量后蒸發(fā)的氣體送入第二精餾塔吸收冷量，部分蒸發(fā)溫度低于氧的組分(主要是氬)從第二精餾塔冷凝器的吸收腔G2的排放口予以排放(不間斷地向大氣排放)，從而獲得液態(tài)高純氧產品；所述第一精餾塔和第二精餾塔分開布置；將第一精餾塔Cl固定布置在第一精餾塔蒸發(fā)器Kl的頂端且與蒸發(fā)器連通；將第二精餾塔冷凝器K2固定布置在第二精餾塔C2頂端；第一精餾塔蒸發(fā)器Kl內的液氧的蒸發(fā)溫度小于氮氣的液化溫度，分別通過控制液氧的壓力以及控制氮氣的壓力實現(xiàn)；第二精餾塔冷凝器K2內的液氮的蒸發(fā)溫度小于氧氣的液化溫度，分別通過控制液氮的壓力以及控制氧氣的壓力實現(xiàn)。第一精餾塔頂端的輸出口還通過與氧氮液化裝置相通的管道輸出低壓氧氣。所述第二精餾塔的底端還設置有液氧排放管。所述第二精餾塔冷凝器中的吸收腔G2，其氧氣進口以及液氧出口分別通過管道與第二精餾塔相通。
所述第一精餾塔和第二精餾塔的結構與化工設備的精餾塔結構相同；精餾元件可采用填料+分布器內件，也可采用篩板結構，或填料、篩板的組合塔結構。第一精餾塔蒸發(fā)器Kl和第二精餾塔冷凝器K2均為常規(guī)結構，可根據(jù)傳熱溫差的需要，采用板翅式換熱器或管式換熱器結構。本實施例工作流程如下帶壓液氧節(jié)流進入第一精餾塔上部參與精餾，在第一精餾塔中通過精餾使得液氧中蒸發(fā)溫度低于氧的組分(氬)濃縮于上升氣體中，在第一精餾塔下部的物料中氬組分含量很低，從第一精餾塔中下部抽取氬含量< 2X10-6v/v的氣體去第二精餾塔塔進一步提純，第一精餾塔頂部輸出的氧氣進入液化系統(tǒng)回收冷能，蒸發(fā)器Kl中液氧含較多的甲烷等化合物，需要不間斷地排放至專用貯槽。第一精餾塔中下部提取的氣體從第二精餾塔底部進入，通過精餾除去蒸發(fā)溫度低于氧的組分(主要是氬)，在第二精餾塔中部得到甲烷含量 < 0. 5X10-7v/v的液態(tài)高純氧產品；第二精餾塔頂部氣體氬組分含量較高，可以間斷排放 (通過吸收腔G2排放)，底部液態(tài)碳氫化合物濃度高，需要不間斷地排放至專用貯槽。流程中來自液化系統(tǒng)的氮氣節(jié)流后作為第一精餾塔蒸發(fā)器Kl熱源，從該蒸發(fā)器出來的液氮回液化系統(tǒng)；來自液化系統(tǒng)的液氮節(jié)流后作為第二精餾塔冷凝器K2冷源，從該冷凝器出來的氮氣回液化系統(tǒng)回收剩余冷能。流程特點1、本流程首先分離混合氣體中沸點低的物質(氬等)然后再分離混合氣體中沸點高的物質(碳氫化合物等)。2、裝置產生低壓氧氣返回用戶管網。本實施例的各管路中的推薦數(shù)據(jù)如下
權利要求
1.利用氧氮液化裝置制取高純氧的方法，同時進行以下作業(yè)流程a、氧氮液化裝置(YD)輸出的氮氣通入第一精餾塔蒸發(fā)器(Kl)中的吸收腔(Gl)后吸收冷量，轉換為液氮后輸回氧氮液化裝置；b、氧氮液化裝置輸出的液氮送入第二精餾塔冷凝器(以)后放出冷量，轉換為氮氣后輸回氧氮液化裝置；C、將氧氮液化裝置輸出的液氧送入第一精餾塔(Cl)放出冷量，其中蒸發(fā)溫度高于氧的組分以液態(tài)形式從第一精餾塔蒸發(fā)器(Kl)底端的排放管進行排放；其余放出冷量后蒸發(fā)的氣體送入第二精餾塔冷凝器中的吸收腔(6 吸收冷量，其中蒸發(fā)溫度低于氧的組分以氣態(tài)形式從該吸收腔的排放口進入大氣排放，剩余組分進入第二精餾塔進一步精餾，獲得液態(tài)高純氧產品后輸出；第一精餾塔(Cl)和第二精餾塔(Cl)分開布置；第一精餾塔固定在第一精餾塔蒸發(fā)器 (Kl)頂端且與該蒸發(fā)器連通；第二精餾塔冷凝器(以)固定在第二精餾塔頂端；第一精餾塔蒸發(fā)器內液氧的蒸發(fā)溫度小于氮氣的液化溫度，分別通過控制液氧的壓力以及控制氮氣的壓力實現(xiàn)；第二精餾塔冷凝器內液氮的蒸發(fā)溫度小于氧氣的液化溫度，分別通過控制液氮的壓力以及控制氧氣的壓力實現(xiàn)。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用氧氮液化裝置制取高純氧的方法，其特征在于所述第一精餾塔(Cl)頂端輸出口還通過與氧氮液化裝置(YD)相通的管道輸出低壓氧氣。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的利用氧氮液化裝置制取高純氧的方法，其特征在于所述第二精餾塔(以)的底端還設置有液氧排放管。
4.根據(jù)權利要求3所述的利用氧氮液化裝置制取高純氧的方法，其特征在于所述第二精餾塔冷凝器中的吸收腔(G2)，其氧氣進口以及液氧出口分別通過管道與第二精餾塔相通ο
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制取高純氧的方法。目的是該方法應具有高純氧產品產量高、投資少、成本較低的特點。技術方案是利用氧氮液化裝置制取高純氧的方法，同時進行以下作業(yè)流程a、氧氮液化裝置輸出的氮氣通入第一精餾塔蒸發(fā)器的吸收腔后吸收冷量，轉換為液氮后輸回氧氮液化裝置；b、氧氮液化裝置輸出的液氮送入第二精餾塔冷凝器后放出冷量，轉換為氮氣后輸回氧氮液化裝置；c、將氧氮液化裝置輸出的液氧送入第一精餾塔放出冷量，其中蒸發(fā)溫度高于氧的組分以液態(tài)形式進行排放；其余蒸發(fā)氣體送入第二精餾塔冷凝器中的吸收腔吸收冷量，其中蒸發(fā)溫度低于氧的組分以氣態(tài)形式進入大氣排放，剩余組分進入第二精餾塔進一步精餾，獲得液態(tài)高純氧產品后輸出。
文檔編號F25J3/04GK102252499SQ201110121430
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權日2011年5月9日
發(fā)明者唐惠明, 孫國華, 張敏, 沈浩 申請人:浙江新銳空分設備有限公司