深冷分离及生产低纯度氧、高纯度氧和氮的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空气分离领域，尤其涉及一种深冷分离及生产低纯度氧、高纯度氧和氮的装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着各行各业的快速发展，对工业气体氧气、氮气的种类要求也越来越多，和传统行业只要求单一纯度氧产品不用(生产高纯度氧或低纯度氧中的一种)，一些新兴行业如有色冶炼，出现了同时要求生产低纯度氧、高纯度氧、高纯度氮和少量的液氧、液氮，产品氧气压力2?3.5bar，氮气压力5?1bar0
[0003]对于这种行业空分装置，如果采用变压吸附，需要设置三套变压吸附装置，能耗高，经济性差，不能生产液体，且变压吸附生产高纯度氧难度大，不宜用于大规模工业用气；如果采用两套深冷空分装置，投资大、占地面积大，不科学不合理。
[0004]空分装置的原料是大气，其主要的消耗是能源，因此，在如何进一步降低能量消耗显得尤为重要。空分装置的产品是氧气，安全性也十分重要，提供更低能耗更合理的工艺流程，不仅可以做到降低能耗，降低生产成本，提高总体经济效益，为社会节约资源，创建低碳、环保的社会环境起到一定的作用。
[0005]对于冶金型空分装置，既可以采用外压缩流程，也可以采用内压缩流程，究竟采用哪种流程形式，应根据用户的产品需求，从能耗、投资、操作、安全性几个方面综合考虑。内压缩流程比外压缩流程换热不可逆损失增大，从这个意义上来说内压能耗要高，但空分装置的压缩机是用电大户，压缩机的效率对整个装置的能耗起举足轻重的作用。对于氧气压力不高的有色冶炼空分装置，外压缩流程国产氧透效率低，能耗高，氧透安全性较差，操作维护量大；而采用内压缩流程增压机一级压缩，采用进口，效率高，能耗低，且内压安全性好。
[0006]目前变压吸附设备只生产单一产品，只能获得低纯度氧气产品，或采用再净化方法获得高纯氧，且不能制取液体产品。采用两套空分装置分别制取低纯度氧、高纯度氧，投资大、能耗高，不科学不合理。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点提供一种同时获得不同纯度的氧气产品、能耗低且经济性安全性好的深冷分离及生产低纯度氧、高纯度氧和氮的装置及方法。
[0008]本发明的技术方案产生的积极效果如下:一种深冷分离及生产低纯度氧、高纯度氧和氮的装置，包括空气压缩系统、前端预冷纯化系统和冷箱，所述空气压缩系统包括空压机以及空气增压机，所述冷箱包括主换热器、液氧蒸发器、液氧栗、膨胀机的膨胀端及精馏塔，所述精馏塔包括下塔、上塔、纯氧塔、纯氧塔蒸发器和位于上塔和下塔之间的主冷凝蒸发器；所述空压机通过第一管道与前端预冷纯化系统相连接，所述前端预冷纯化系统的气体出口通过第二管道经主换热器与所述下塔相连；所述前端预冷纯化系统的气体出口通过第三管道与一膨胀机的增压端相连接，所述增压端通过第四管道连接一水冷却器，所述水冷却器通过第五管道经主换热器连接在所述膨胀机的膨胀端；所述前端预冷纯化系统的气体出口通过第六管道与所述空气增压机相连接，空气增压机末级出口通过第七管道经主换热器与所述液氧蒸发器相连，液化后通过第八管道及第一节流阀后进入所述下塔中部；所述膨胀端出口设置第九管道与上塔相连；所述下塔底部液体出口处经过一过冷器通过第十管道及第二节流阀后连接在所述上塔中部；所述下塔中部液体出口处经过一过冷器通过第十一管道及第三节流阀后连接在所述上塔中部；所述下塔顶部的液体出口通过第十二管道经过所述过冷器及第四节流阀后连接在所述上塔顶部；所述下塔顶部的气体出口通过第十三管道连接在所述纯氧塔蒸发器上，所述纯氧塔蒸发器的液体出口通过第十四管道及第五节流阀连接在所述上塔顶部；所述下塔顶部的气体出口通过第十五管道经主换热器后连接在冷箱外部作为产品压力氮气；所述主冷凝蒸发器的低纯液氧侧出口处通过第十六管道连接在所述纯氧塔顶部；所述主冷凝蒸发器的低纯液氧侧出口处通过第十七管道和所述液氧栗连接，液氧栗出口通过第十八管道和所述液氧蒸发器连接，所述液氧蒸发器的气氧通过第十九管道经主换热器复热后出冷箱作为产品送出；所述上塔顶部的污氮气出口处连接第二十管道，所述第二十管道经过所述过冷器和主换热器后连接在冷箱外部的纯化系统；所述纯氧塔顶部气体出口通过第二十一管道和所述上塔底部连接；所述纯氧塔底部液氧通过第二十二管道和所述液氧栗连接，液氧栗出口通过第二十三管道和所述液氧蒸发器连接，所述液氧蒸发器的气氧通过第二十四管道经主换热器复热后出冷箱作为产品送出。
[0009]所述下塔工作压力0.38MPa。
[0010]所述下塔为塔板数为25~40或对应塔盘数为35~60盘的下塔，所述上塔为塔板数为30~40或对应塔盘数为52~68盘的规整填料上塔，所述纯氧塔为塔板数为20~30或对应塔盘数为35~52盘的规整填料塔。
[0011]—种深冷分离及生产低纯度氧、高纯度氧和氮的装置的分离及生产方法，该方法如下:
出纯化后的空气分为三部分:第一部分空气进入主换热器，被返流气体冷却后进入下塔；第二部分相当于膨胀量的空气进入透平膨胀机的增压端增压，经(增压后)冷却器冷却后进入主换热器，冷却到一定温度后从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后的空气送入上塔；第三部分空气进入空气增压机进一步压缩，经主换热器冷却后进入液氧蒸发器作为热源汽化液氧，出液氧蒸发器后进入下塔中部；
下塔从上到下产生以下产品:液氮、贫液空及富氧液空；所述富氧液空节流进入上塔，作为其回流液；贫液空经过冷器过冷后节流进入上塔，作为其回流液；液氮分三部分:一部分在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液，一部分作为下塔回流液，一部分液氮在液氮栗中被压缩至所需压力，然后送到换热器中通过与空气进行热交换而得到压力氮气。
[0012]上塔从上到下产生以下产品包括:顶部产生污氮气、底部产生富液氧及上塔；污氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱，一股污氮气用于分子筛吸附器的再生，另一股污氮气送到水冷塔对水进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气；富液氧从上塔底部抽出，在液氧栗中被压缩至所需压力，然后进入液氧蒸发器，被空气加热汽化后进入主换热器复热到常温后送往用户；从上塔底部抽出部分富液氧送到纯氧塔精馏得到液氧。
[0013]从上塔底部来的富液氧进入纯氧塔顶部，精馏后在底部得到99.6%以上纯液氧，顶部粗氧气返回上塔；纯氧塔底部纯液氧经液氧栗加压后送入主换热器复热后出冷箱得到氧气。
[0014]膨胀机增压端的气体来自低压力空压机后的气体。
[0015]能从下塔得到高纯度氮气，氮气压力氮气压力0.35MPa，或从下塔顶部抽取液氮采用液氮栗内压得到压力更高的氮气。
[0016]本发明的技术方案产生的积极效果如下:同时得到低纯度氧、高纯度氧、高纯度氮、低纯度液氧、高纯度液氧、液氮产品，氧气采用内压缩，省去氧压机，安全性好，特别适用于有色冶炼所配套空分，得到的低纯度氧气产品纯度90%?95%，高纯度氧气产品纯度彡99.6%，氮气纯度彡99.9%ο
[0017]—套空分装置同时获得多种产品，解决了多套装置才能实现的问题，不仅可以做到降低能耗，降低生产成本，还能节约人力资源、节省投资，科学合理。该发明对提高经济效益具有重要意义，对节约社会资源，创建低碳、环保的社会环境起到积极的作用。
【附图说明】
[0018]图1为本发明深冷分离及生产低纯度氧、高纯度氧和氮的装置的结构示意图。
[0019]图中标注为:1、空压机；2、前端预冷纯化系统；3、空气增压机；4、透平膨胀机增压端；5、水冷却器；6、主换热器；7、第一液氧蒸发器；8、下塔；9、主冷凝蒸发器；10、上塔；11、过冷器；12、纯氧塔；13、纯氧塔蒸发器；14、透平膨胀机膨胀端；15、第二液氧蒸发器；16、第一液氧栗；17、第二液氧栗；18、第一节流阀；19、第二节流阀；20、第三节流阀；21、第四节流阀；22、第五节流阀；23、冷箱；101、第一管道；102、第二管道；103、第三管道；104、第四管道；105、第五管道；106、第六管道；107、第七管道；108、第八管道；109、第九管道；110、第十管道；111、第十一管道；112、第十二管道；113、第十三管道；114、第十四管道；115、第十五管道；116、第十六管道；117、第十七管道；118、第十八管道；119、第十九管道；120、第二十管道；121、第二^--管道；122、第二十二管道；123、第二十三管道；124、第二十四管道。
【具体实施方式】
[0020]实施例一
深冷分离及生产低纯度氧、高纯度氧和氮的装置，如图1所示，包括空气压缩系统、前端预冷纯化系统2和冷箱24，所述空气压缩系统包括空压机1、空气增压机3，所述冷箱包括主换热器6、第一液氧蒸发器7、第二液氧蒸发器15、第一液氧栗16、第二液氧栗17、透平膨胀机膨胀端14及精馏塔，所述精馏塔包括下塔8、上塔10、纯氧塔12、纯氧塔蒸发器13和位于上塔和下塔之间的主冷凝蒸发器9。所述空压机通过第一管道101与前端预冷纯化系统相连接，所述前端预冷纯化系统的气体出口通过第二管道102经主换热器与所述下塔相连；所述前端预冷纯化系统的气体出口通过第三管