一种制备高纯氮和高纯氧的装置及方法与流程

本发明涉及空气分离提纯，尤其涉及一种制备高纯氮和高纯氧的装置及方法。

背景技术：

1、随着电子、化工等行业的快速发展，对高纯氮气、高纯氧需求量急剧增大，空气中的主要气体成分为氮气和氧气，氮气和氧气体积分数分别为78.12％和20.95％，而空气作为廉价资源无处不在，因此通过分离空气来直接生产高纯氮气和高纯氧气是最为简便且经济的方法。

2、在现有技术中，中国专利zl201920857138.1中公开了一种能制液氮的空分设备，只能制备高纯氮气，无法同时制备高纯氧气。而对于高纯氧气的制备只能通过常规的空气分离设备制备，无法对空气同时制备高纯氮气和高纯氧气。

技术实现思路

1、为了解决无法对空气同时制备出高纯氮气和高纯氧气的问题，本技术提供一种制备高纯氮和高纯氧的装置及方法。

2、本技术提供一种制备高纯氮和高纯氧的装置，包括冷箱，所述冷箱包括膨胀机、第一换热器、第二换热器、第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔和接入空气的进气管道；所述第一精馏塔内设有第一冷凝器，所述第一精馏塔内设有第二冷凝器，所述第三精馏塔内设有再沸器；

3、所述第一精馏塔具有空气入口、塔体氮气出口、塔顶氮气出口、塔体氧气出口和第一塔顶氧气出口；所述第二精馏塔具有塔底氧气入口和第二塔顶氧气出口；所述第三精馏塔具有塔顶氧气入口、塔底氮气入口、第三塔顶氧气出口和塔底液氧出口；

4、其中，所述进气管道经所述第一换热器连通所述空气入口，所述塔体氮气出口经所述第一换热器连通所述冷箱外部，所述塔顶氮气出口连通所述塔底氮气入口，所述塔体氧气出口连通所述塔顶氧气入口，所述第一塔顶氧气出口连通所述塔底氧气入口；

5、所述第二塔顶氧气出口依次经第二换热器和第一换热器连通所述膨胀机；所述第三塔顶氧气出口依次经第二换热器和第一换热器连通所述冷箱外部，所述塔底液氧出口连通所述冷箱外部。

6、通过采用上述技术方案，将空气导入冷箱后，通过第一精馏塔、第二精馏塔精馏制备出高纯氮气，即可直接生产压力氮，又能提高氮气的提取率，通过第三精馏塔制备出高纯氧气。

7、进一步的，所述第一冷凝器位于所述第一精馏塔顶部，所述第二冷凝器位于所述第二精馏塔顶部，所述再沸器位于所述第三精馏塔下部；

8、所述第一精馏塔具有第一富氧液出口，所述第一富氧液出口经所述第二换热器连通所述第一冷凝器；

9、所述第二精馏塔具有第二富氧液出口，所述第二富氧液出口连通所述第二冷凝器。

10、通过采用上述技术方案，能够使得第一精馏塔、第二精馏塔的富氧液分别通过第一冷凝器和第二冷凝器蒸发生产富氧空气，并分别作为第一冷凝器和第二冷凝器的冷源。

11、进一步的，所述第一冷凝器与所述第一精馏塔之间设有第一液氮回流管道，所述第二冷凝器与所述第二精馏塔之间设有第二液氮回流管道，所述第一液氮回流管道通过液氮泵连通所述第二液氮回流管道；

12、所述第三精馏塔具有液氮出口，所述液氮出口连通所述第二液氮回流管道。

13、通过采用上述技术方案，利用第二液氮回流管道和第一液氮回流管道的连通，同时，第三精馏塔的液氮也输送到第二液氮回流管道中，提高氮的气提取率。

14、进一步的，所述第一精馏塔的顶部和所述第二精馏塔的顶部之间设有氮气输送管道。

15、通过采用上述技术方案，将第一精馏塔的氮体输送到第二精馏塔的顶部，保证第二精馏塔的顶部具有充足的氮气含量，确保第二冷凝器的对富氧液的冷凝蒸发效果。

16、进一步的，所述膨胀机包括第一氧气出口，所述第一氧气出口管道连接所述第三塔顶氧气出口的第一氧气输送管道，且连接于所述第一换热器和所述第二换热器之间。

17、通过采用上述技术方案，利用膨胀机对第二精馏塔排出的高热氧气进行膨胀制冷后排出，再利用对膨胀机膨胀制冷后的氧气复热排出冷箱。

18、进一步的，所述塔底液氧出口连通有液氧贮槽，所述液氧贮槽的出口连通有增压泵，所述增压泵的出口连通有第二氧气输送管道，所述第二氧气输送管道与所述第一氧气输送管道连通。

19、通过采用上述技术方案，第三精馏塔精馏后，在其底部凝成的液氧输送到液氧贮槽，利用液氧贮槽的增压泵输送汽化后将氧气排出。

20、进一步的，所述增压泵的出口还连通液氧回流管道，所述液氧回流管道的出口经所述第二换热器连通所述液氧贮槽。

21、通过采用上述技术方案，利用液氧回流管道将液氧经过汽化后形成的液体通过第二换热器冷却，并输送到液氧贮槽中。

22、进一步的，所述第一精馏塔中部均设有填料部，所述填料部的上部至少设有一个除氢段，所述塔体氮气出口位于至少一个所述除氢段的上方。

23、通过采用上述技术方案，利用除氢段去除氮气中的氢成分，获得高纯度的氮气。

24、进一步的，还包括通过所述进气管道依次连通的空气过滤器、空气压缩机、空气预冷系统和分子筛纯化系统，所述分子筛纯化系统连通所述冷箱中的所述第一换热器。

25、通过采用上述技术方案，利用空气压缩机将过滤掉尘埃和机械杂质的原料气压缩后进入空气预冷系统，经过空气预冷系统的空气预冷机组降温后进入分子筛纯化系统。其中，分子筛纯化系统将原料气中的水分、二氧化碳等经分子筛纯化系统的活性氧化铝和分子筛除掉后进入冷箱。

26、本技术还提供一种制备高纯氮和高纯氧的方法，所述方法包括以下步骤：

27、原料气为空气，空气经过空气过滤器过滤掉杂质后，而后进入空气压缩机压缩；被压缩后的空气进入空气预冷系统降温后进入分子筛纯化系统；空气经过分子筛纯化系统纯化后除掉水分和二氧化碳，再通过进气管道进入冷箱的第一换热器，经第一换热器冷却到露点温度后通过空气入口进入第一精馏塔底部，进行精馏；

28、第一精馏塔中，空气经过精馏后，塔顶得到的氮气，一部分氮气通过塔体氮气出口经第一换热器冷却原料空气的同时复热，再排出冷箱，作为产品氮气进管网，另一部分氮气在第一冷凝器中冷凝成液氮后，通过第一液氮回流管道输送到第一精馏塔的顶部作为回流液，塔底的一部分富氧空气输送到第三精馏塔；塔底的富氧液通过第一富氧液出口经第二换热器过冷节流后连通第一冷凝器，作为第一冷凝器的冷源，与第一精馏塔顶部的氮气换热，氮气被冷凝，第一冷凝蒸发器中的富氧液吸热蒸发，蒸发后的富氧空气输送到第二精馏塔，同时，冷凝后的氮气生成液氮输送到第三精馏塔；

29、第二精馏塔中，蒸发的富氧空气通过第一塔顶氧气出口，输送至塔底氧气入口中，作为第二精馏塔中精馏原料气，第二精馏塔顶部精馏生产的氮气经第二冷凝器过冷得到液氮，一部分液氮的通过第一液氮回流管道输送到第一精馏塔的顶部作为回流液，另一部分液氮经液氮泵输送到第二液氮回流管道作为第一精馏塔的顶部回流液，塔底的富氧液抽出后输送到第二冷凝器中，蒸发后的富氧空气经过第二换热器进入膨胀机，经过膨胀机制冷的富氧空气经第一换热器与原料气换热后复热出冷箱；

30、第三精馏塔中，第一精馏塔输送的富氧空气精馏后，从第三塔顶氧气出口依次经过第二换热器、第一换热器排出冷箱，而由第一精馏塔输送的液氮经过第三精馏塔塔底的再沸器蒸发上升，使得富氧空气被冷凝形成液氧凝聚在塔底，再通过塔底液氧出口经过第二换热器排出冷箱，进入液氧贮槽；

31、液氧贮槽中，液氧经过增压泵增压汽化后输送到第二氧气输送管道上，汽化后生成的氧气排出，汽化形成的液体通过液氧回流管道经第二换热器回收进入液氧贮槽中。

32、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

33、通过第一精馏塔、第二精馏塔和第三精馏塔同时获得高纯氮气和高纯氧气。

34、通过第一精馏塔和第二精馏塔相结合生产液氮，在保障高提取率的前提下产生压力氮进行液化，即能得到氮气高提取率。

35、获得的高纯氧产品形式多样，生产的高纯氧产品可以是气体，也可为液氧产品，输送至液体储槽贮。

36、本发明所提供的高效生产高纯氧和高纯氮的方法，以空气为原料，经济实用，产品安全可靠，该方法可得到广泛应用，具有良好的市场前景。