全精馏提氩富氧空分装置及工艺的制作方法

本发明涉及一种深冷空气分离设备领域，具体涉及一种全精馏提氩富氧空分装置及工艺。

背景技术：

空气是指地球大气层中的气体混合，它主要由78％的氮气、21％氧气、0.94％的稀有气体(氦、氖、氩、氪、氙)，0.03％的二氧化碳，0.03％的其他物质(如水蒸气、杂质等)组成的混合物，其中稀有气体主要是氩成分。

空分设备是空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备。空分设备是一个大型的复杂系统，主要包括动力系统、净化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统、液体贮存系统和控制系统等。

动力系统主要是指空气压缩机，空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成，而装置的能量主要是由空气压缩机输入；净化系统由空气预冷系统和分子筛纯化系统组成，经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过接触式换热降低空气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质，分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亚氮等对空分设备运行有害的物质；空分设备的制冷系统是通过膨胀机实现的，整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环；空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统共同完成的，现有技术中换热器主要使用铝制板翅式换热器；空分设备的核心是精馏系统，实现空气成分的低温分离，由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成；空分设备生产的氧气和氮气需要一定的压力才能满足后续系统的使用，通过产品输送系统的各路管道完成；空分设备生产的液氧和液氮等产品，进入液体贮存系统；现有的大型空分设备均采用计算机集散控制系统，实现自动控制。

本设备的主要产品是液氮、液氧和富氧空气，富氧空气主要应用于炼钢炉、玻璃炉窑、金属冶炼等的助燃。一般助燃用富氧空气需要的压力在0.1-0.2mpa。常规的富氧空分设备采用双级精馏，上塔底部直接得到富氧气体经主换复热后再经氧压机加压至所需压力，或在上塔底部得到富氧液空，经液氧泵内压缩或自增压至所需压力后再复热出分馏塔冷箱。

现有的空分设备的制冷系统，由于需要达到的各气体的露点，进而消耗大量的电能，增加了生产成本；此外，常规的富氧空分设备在得到富氧气的同时可以生产副产品纯氮气、液氮，无法同时生产纯氧气或纯液氧，更无法同时生产氩气或液氩。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种全精馏提氩富氧空分装置及工艺，能有效降低全精馏提氩富氧空分过程的耗电量，同时还可以同时生产副产品纯液氮和氧气或液氧，以及生产液氩或氩气。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种全精馏提氩富氧空分装置，包括空气预处理段，所述空气预处理段被用于制备干燥纯化空气传输至精馏段；

还包括精馏段和提氩段，所述精馏段包括下塔、上塔、冷凝蒸发器、主换热器、增压后冷却器、增压机、膨胀机和过冷器；所述冷凝蒸发器设置在下塔和上塔之间；所述提氩段包括第一粗氩塔、第二粗氩塔、精氩塔、液体泵、粗氩冷凝器、精氩蒸发器和精氩冷凝器；

所述空气预处理段干燥纯化空气出口分为三路，第一路与主换热器第一进料空气流道、下塔底部空气进口依次连接，第二路与增压机进气口、增压后冷却器进气口、主换热器第二进料空气流道、膨胀机进气口和上塔中部空气进口依次连接，第三路与仪表空气系统进气口连接；

所述下塔顶部的氮气出口分二路，第一路与冷凝蒸发器进气口连接；第二路与精氩塔下部的精氩蒸发器进气口连接；

所述下塔底部的富氧液空出口与过冷器的富氧液空流道连接后分为二路，第一路与上塔上部的富氧液空进口连接，第二路与粗氩冷凝器进液口连接；

所述冷凝蒸发器液氮流道出口分成二路，第一路与下塔顶部的液氮回流口连接，第二路与过冷器的液氮流道连接；

所述过冷器的液氮流道出口分成三路，第一路与上塔顶部液氮回流口连接，第二路作为产品液氮连接纯液氮产品输送管道，第三路与精氩冷凝器液氮进口连接；

所述上塔底部与冷凝蒸发器连接，上塔底部的液氧进入冷凝蒸发器，液氧自冷凝蒸发器出口分为二路，第一路作为产品液氧连接纯液氧产品输送管道，第二路与液体泵、下塔底部的富氧液空出口依次连接，汇合后的液体与主换热器液氧蒸发流道连接；

所述上塔上部的污氮与过冷器、主换热器的污氮流道连接；

所述上塔顶部的纯氮与过冷器、主换热器的纯氮连流道接；

所述上塔下部的氩馏份出口与第一粗氩塔底部氩馏份进口、第一粗氩塔顶部粗气氩出口和第二粗氩塔底部粗气氩进口依次连接；

所述第二粗氩塔顶部的工艺氩出口分为二路，第一路与粗氩冷凝器工艺氩进口和第二粗氩塔粗氩回流口依次连接，第二路与精氩塔中部的工艺氩进口连接；

所述精氩塔底部的纯液氩出口连接纯液氩产品输送管道；

所述精氩冷凝器气氮与上塔上部污氮出口汇合与过冷器、主换热器的污氮流道连接；

所述第二粗氩塔底部的粗液氩出口与液体泵进口连接，与第一粗氩塔顶部粗液氩进口连接，与上塔下部的氩馏份回流连接。

进一步的，所述精馏段包括液氮产线；所述液氮产线自空气预处理段干燥空气出口经主换热器第一进料空气流道、下塔底部空气进口、下塔顶部氮气出口、冷凝蒸发器氮气进口至冷凝蒸发器液氮出口；

所述液氮产线的液氮出口分为四路，第一路与过冷器的液氮流道、上塔的液氮进口依次连接，第二路与精氩塔上部的精氩冷凝器进液口连接，第三路与下塔液氮回流口连接，第四路连接液氮产品输出管路。

进一步的，所述精馏段包括气氮产线；所述气氮产线自空气预处理段干燥空气出口第一路经主换热器第一进料空气流道、下塔底部空气进口、上塔中部液空进口、上塔6顶部液氮进口至上塔顶部氮气出口；第二路经增压机进气口、增压后冷却器进气口、主换热器第二进料空气流道、膨胀机进气口、上塔中部空气进口至上塔顶部氮气出口；所述气氮产线的氮气出口直接连接氮气产品输出管道，作为产品输出。

进一步的，所述第一粗氩塔和第二粗氩塔采用工艺液氩泵耦合。

进一步的，本发明还提供采用上述全精馏提氩富氧空分装置的空分工艺，所述空分工艺包括如下步骤：

1)原料空气经过滤、压缩、冷却和纯化后得到干燥纯化空气，干燥纯化空气分为三路，第一路进入主换热器，与返流气体换热，被冷却至液化温度，进入下塔参与精馏；第二路干燥纯化空气经过增压冷却后进入主换热器与返流气体换热至膨胀前温度，再进入膨胀机制冷后，进入上塔参与精馏；第三路干燥纯化空气输送至仪表空气系统，作为仪表气和密封气；

2)在精馏段，下塔内空气与回流液氮在多层塔板上反复冷凝和蒸发，下塔底部积聚富氧液空，富氧液空经过冷器过冷后分为二路，一路经节流后进入上塔上部作为上塔原料，另一路节流后进入粗氩冷凝器分别作为第一粗氩塔和第二粗氩塔的塔顶冷源，蒸汽作为原料进入上塔；下塔塔顶氮气经冷凝蒸发器冷凝成液氮后分为四路，第一路液氮经过冷器过冷、节流减压后喷入上塔顶部作为上塔的回流液；第二路液氮节流进入精氩冷凝器作为精氩塔的塔顶冷源；第三路液氮作为产品进入贮槽；第四路液氮返回下塔作为回流液；下塔顶部少量气氮进入精氩蒸发器作为精氩塔的底部热源；

3)上塔顶部得到纯氮气，经过冷器过冷后进入主换热器复热出冷箱，得到产品氮气；上塔上部得到污氮气，污氮经过冷器过冷、主换热器复热出冷箱，一部分去纯化器作为再生气，余量去水冷塔放空；上塔底部的产品液氧进入主冷凝蒸发器蒸发，蒸发后的氧气作为上塔的上升蒸汽，部分液氧经低温液体泵加压后与下塔底部的富氧液空汇合，经主换热器汽化复热出冷箱，部分液氧作为产品液氧出冷箱送入低温液体贮槽；

4)在上塔底部抽出的粗气氩馏份进入第一粗氩塔底部，粗气氩馏份自第一粗氩塔底部上升至顶部，然后进入第二粗氩塔底部，自第二粗氩塔底部上升至顶部，在此过程中，粗液氩馏份中的氧含量越来越低，在第二粗氩塔顶部得到工艺氩；工艺氩自第二粗氩塔顶部经输送管道分为二路，一路进入粗氩冷凝器，与液空换热冷凝后回流至第二粗氩塔作为回流液，回流液到第二粗氩塔底部经过工艺液氩泵加压后送入第一粗氩塔顶部作为回流液；另一路工艺氩送入精氩塔中部，在精氩塔中除去氮，在精氩塔底部得到纯液氩。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供了一种全精馏提氩富氧空分装置及工艺，获得了如下有益效果：

1)本发明在上塔采用纯氧空分工艺在上塔底部的到液氧，液氧经液体泵加压后与下塔底部(30-40％o2)富氧液空汇合后在主换热器内汽化，结合富氧空分工艺，进而在主换热器中蒸发复热的介质为80％～95％含氧量的富氧液空，相较于纯液氧，其蒸发温度更低；在内压缩空分流程中，返流的低温液体蒸发温度越低对应的空气液化温度越低，进而空气液化温度及露点温度越低，所对应的原料空气压力越低，相应空分装置的电耗越低；此外上塔底部液氧经液体泵加压后与下塔底部富氧液空汇合，有利于整体装置的连续性生产，因此本发明的空分装置有利于节省空分装置的耗电量，降低生产成本。

2)上塔底部生产液氧，可以将富氧液空中粗液氩与液氧分离，有利于精氩塔提氩，现有技术中上塔底部生产富氧80％～95％含氧量的富氧液空，氩将混合在产品富氧气中无法提取，应用本发明的全精馏提氩富氧空分工艺可与常规空分设备一样提取产品氩，节省工艺流程，进一步降低企业的生产成本，提高经济效益。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明的结构示意图。

其中，各部件的具体意义为：

1-空气过滤器，2-空气压缩机，3-空冷塔，4-分子筛纯化器，5-下塔，6-上塔，7-冷凝蒸发器，8-主换热器，9-增压后冷却器，10-增压机，11-膨胀机，12-过冷器，13-第一粗氩塔，14-第二粗氩塔，15-精氩塔，16-工艺液氩泵，17-粗氩冷凝器，18-液体泵，19-精氩蒸发器，20-精氩冷凝器。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

基于现有技术中，一方面现有的空分设备其运行的耗电量高，成本高问题，另一方面常规的富氧空分设备在得到富氧气的同时，得到副产品纯气、液氮，但是无法同时生产纯气氧或纯液氧，也无法同时生产气或液氩的现象，本发明提出一种全精馏提氩富氧的空分装置，结合富氧空分和纯氧空分应用本工艺既兼顾制备得到富氧液体低温度蒸发低电耗的优势，又兼顾与常规空分一样提取液氩产品的优势。

下面结合附图所示，对本发明的全精馏提氩富氧空分装置做进一步具体介绍。

结合图1，本发明的全精馏提氩富氧空分装置，包括空气预处理段、精馏段和精氩段。

所述空气预处理段包括依次相连的空气过滤器1、空气压缩机2、空冷塔3和分子筛纯化器4，所述空气预处理段被用于将原料空气干燥除杂得到干燥纯化空气；原料空气经空气过滤器1除去灰尘及机械杂质，在空气压缩机2中被压缩到所需工艺过程需要的压力，压缩空气经空冷塔3冷却，然后进入自动切换的分子筛纯化器4，用于以清除h2o、co2和c2h2，以及其它碳氢化合物，所述分子筛纯化器4出口的干燥纯化空气的温度为15～25℃。

所述精馏段包括下塔5、上塔6、冷凝蒸发器7、主换热器8、增压后冷却器9、增压机10、膨胀机11、过冷器12和液体泵18；所述冷凝蒸发器7设置在下塔5和上塔6之间；所述精氩段包括第一粗氩塔13、第二粗氩塔14、精氩塔15、液氩泵16、粗氩冷凝器17、精氩蒸发器19和精氩冷凝器20。

上述分子筛纯化器4的干燥纯化空气出口分为三路，第一路干燥纯化空气与主换热器8第一进料空气流道、下塔5底部空气进口依次连接，所述干燥纯化空气经过主换热器8与返流气体换热，被冷却至液化温度，进入下塔5参与精馏；第二路干燥纯化空气与增压机10进气口、增压后冷却器9进气口、主换热器8第二进料空气流道、膨胀机11进气口和上塔6中部空气进口依次连接，经过膨胀机11同轴拖动的增压机10增压、增压后冷却器9冷却后进入主换热器8与返流气体换热，被冷却至膨胀前温度，进入膨胀机11制取空分设备正常运行所需的冷量，膨胀后的第二路干燥纯化空气进入上塔6参与精馏；第三路与仪表空气系统进气口连接，第三路干燥纯化空气作为仪表气和密封气。

所述精馏段除生产富氧液空外，还包括液氮产线和气氮产线；在下塔5中干燥纯化空气被初步分离成氮气和富氧液空，在塔顶获得纯氮气，氮气被冷凝蒸发器7中的液氧冷凝成液氮；所述冷凝蒸发器7的液氮出口分为四路，第一路与过冷器12的液氮流道、上塔6的液氮进口依次连接，第一路的液氮经过冷器12过冷、第一节流阀减压后喷入上塔6顶部作为上塔6的回流液；第二路与精氩塔15上部的精氩冷凝器20进液口连接，液氮经过第二节流阀减压进入精氩冷凝器20作为精氩塔15的塔顶冷源；第三路与下塔5液氮回流口连接，第三路的液氮返回下塔5，作为下塔5的回流液；第四路连接液氮产品输出管路，作为产品输送至贮槽存储。

所述精馏段的气氮产线自空气预处理段干燥空气出口第一路经主换热器8第一进料空气流道、下塔5底部空气进口、上塔6中部液空进口、上塔6顶部液氮进口至上塔6顶部氮气出口；第二路经增压机10进气口、增压后冷却器9进气口、主换热器8第二进料空气流道、膨胀机11进气口、上塔6中部空气进口至上塔6顶部氮气出口；所述气氮产线的氮气出口直接连接氮气产品输出管道，作为产品输出。

进一步结合具体实施例，所述冷凝蒸发器7的液氮出口第一路经过冷器的液氮流道与上塔6的液氮进口之间，设置有第一节流阀；所述冷凝蒸发器7的液氮出口第二路与精氩塔15上部的精氩冷凝器20进液口之间设置有第二节流阀；所述下塔5底部的富氧液空第一路出口经过冷器12的富氧液空流道与上塔6上部的富氧液空进口之间设置有第三节流阀；所述下塔5底部的富氧液空第二路出口经过冷器12的富氧液空流道与粗氩冷凝器17进液口之间设置有第四节流阀。

所述下塔5顶部的氮气出口分为二路，第一路与精氩塔15下部的精氩蒸发器19进气口连接，少量的氮气进入精氩蒸发器19作为精氩塔15的底部热源，第二路与冷凝蒸发器7进气口连接。

所述下塔5底部的富氧液空出口与过冷器12的富氧液空流道连接后分为二路，第一路与上塔6上部的富氧液空进口连接，第一路的富氧液空经第三节流阀减压后进入上塔6上部，作为上塔6的原料；第二路与粗氩冷凝器17进液口连接，第二路的富氧液空经过第四节流阀减压进入粗氩冷凝器17，分别作为第一粗氩塔13和第二粗氩塔14的塔顶冷源，富氧液空的蒸汽作为原料进入上塔6。

所述上塔6的干燥纯化空气经过二次精馏，在上塔6的顶部得到纯氮，且上塔6顶部的纯氮出口与过冷器12的纯氮流道、主换热器8的纯氮流道、产品氮气输出管道依次连接，纯氮经过冷器12、主换热器8汽化复热出冷箱，作为产品氮气通过管道直接送用气点或存储罐。

所述上塔6底部与冷凝蒸发器7连接，上塔6底部经过纯氧空分过程获得纯液氧进入冷凝蒸发器7蒸发，蒸发后的氧气作为上塔6的上升蒸汽，液氧自冷凝蒸发器7出口分为二路，第一路作为产品液氧连接纯液氧产品输送管道，第二路与液体泵18、下塔5底部的富氧液空出口依次连接，第二路液氧经低温液体泵18加压后与下塔5底部的纯度30-40％o2富氧液空汇合，形成富氧空分过程，汇合后的液体与主换热器8液氧蒸发流道连接，经主换热器8汽化复热为纯度80～95％含氧量的富氧液空出冷箱，大大降低系统内空气液化温度，进而使得空气液化温度及露点温度降低，则其所对应的原料空气压力越低，相应空分装置的电耗越低，降低生产成本。

一些实施例中，上述的第一路液氧还可以经过主换热器8复热出冷箱，作为氧气产品输出存储，进一步增加丰富了整体全精馏提氩富氧空分工艺过程的副产品。

在上塔6上部还得到污氮，所述污氮出口与过冷器12的污氮流道、主换热器8的污氮气流道依次连接，在汽化复热出冷箱后分为二路，第一路与污氮气输出管道连接，第一路污氮气通过输出管道在水冷塔放空；第二路与纯化器污氮气进气口连接，作为再生气。

所述上塔6下部的氩馏份出口与第一粗氩塔13底部氩馏份进口、第一粗氩塔13顶部粗气氩出口和第二粗氩塔14底部粗气氩进口依次连接，即在上塔6下部抽出含氩量7-12％的的粗气氩馏份进入第一粗氩塔13底部，粗气氩馏份自第一粗氩塔13底部上升至顶部，然后进入第二粗氩塔14底部，自第二粗氩塔14底部上升至顶部，在此过程中，粗氩馏份中的氧含量越来越低，在第二粗氩塔14顶部得到含氧量不大于1.5ppm的工艺氩。

第一粗氩塔13和第二粗氩塔14通过工艺液氩泵16耦合，第一粗氩塔13和第二粗氩塔14的冷源来自低压液空蒸发吸热；其中，理论上第一粗氩塔13和第二粗氩塔14应是属于同一个设备，但是在实际生产过程中第一粗氩塔13和第二粗氩塔14组合高度过高，不利于制作及装配建设所以分成单独的两个粗氩塔，两个粗氩塔回流液体用工艺液氩泵16从第二粗氩塔14底部送至第一粗氩塔13顶部，从而将第一粗氩塔13和第二粗氩塔14耦合成类似以一个设备，实现粗氩提纯过程。

所述第二粗氩塔14顶部的工艺氩出口分为二路，第一路与粗氩冷凝器17工艺氩进口和第二粗氩塔14粗氩回流口依次连接，工艺氩进入粗氩冷凝器17，与液空换热冷凝后回流至第二粗氩塔14作为回流液，回流液到第二粗氩塔14底部经过工艺液氩泵16加压后再送入第一粗氩塔14顶部作为回流液；第二路与精氩塔15中部的工艺氩进口连接，并在精氩塔15中除去氮，在精氩塔15底部得到含氮量不大于4ppm的纯液氩，且精氩塔15顶部的冷源来自低压液氮蒸发，精氩塔15底部蒸发热源来自于下塔6顶部部分气氮的冷凝。

所述精氩塔15底部的纯液氩出口连接纯液氩产品输送管道；所述精氩冷凝器20气氮与上塔6上部污氮出口汇合与过冷器12、主换热器8的污氮流道连接；所述第二粗氩塔14底部的粗液氩出口与液体泵16进口连接，与第一粗氩塔13顶部粗液氩进口连接，与上塔6下部的氩馏份回流连接。

本发明的全精馏富氧提氩工艺过程，空气经过空气预处理段流入精馏段和提氩段，相较于现有技术中的空分装置大大降低了装置生产制备过程中电量的消耗，且产品种类多，有利于企业连续性生产，并且降低企业成产成本，提高企业经济效益。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。