[发明专利]大规模变压吸附与深冷分离耦合的梯级空分工艺

说明书

本发明提供一种大规模变压吸附与深冷分离耦合的梯级空分工艺。经过径向预处理吸附塔组干燥和脱二氧化碳的加压空气先通过径向变压吸附塔组吸附分离，30％‑85％的富氧空气流出径向变压吸附塔组，低压氮气作为中间产品；径向变压吸附塔组通过程控阀切换，达到饱和吸附的径向变压吸附塔通过降压解吸再生，待吸附的径向变压吸附塔吸附分离空气，实现径向变压吸附塔组的循环使用；30％‑85％富氧空气再经过富氧压缩机加压到0.5‑0.7MPa，用低压氮气换热后进入低温精馏装置，分离得到液氧和液氮，经液氧泵和液氮泵加压、回收冷量和汽化后得到高压高纯的氧气和氮气；加热后的低压氮气用作径向预处理吸附塔组的再生吹扫气，实现二氧化碳和水的吸附和解吸循环。

1.技术领域

本发明提供大规模变压吸附与深冷分离耦合的梯级空分工艺，属于空气分离技术领域。

2.背景技术

现代煤化工、冶金工业、石油炼制和硫酸工业等生产需要消耗大量的氧气，而对氮气的需求量较小。现有氧气生产方法中，空气分离法是最经济的工业制氧方法。目前，在空气分离领域中，低温精馏法(深冷分离)是传统的制氧方法，变压吸附法和膜分离法是新兴的制氧方法。低温精馏法技术成熟、适宜于大规模生产高压氧气和高压氮气、能够得到高纯度的氧气和氮气，且回收率很高，但氧气和氮气产量比过小，仅有21：78(体积比)，难以满足高耗氧低耗氮的工业过程需要。变压吸附法技术较成熟，适宜于中小规模生产氧气、能够得到中等纯度的低压氧气，氮气低压排出，但由于氩气、氦气和氖气等惰性气体未能分离影响氧气纯度的进一步提高且回收率有待提高。膜分离法技术正在开发，适宜于小和超小规模生产氧气、能够得到低浓度的氧气，投资较高且尚无大规模工业化应用的分离膜。

为了降低投资，20世纪90年代从事低温工程设备开发的美国公司UniversityEnvirogentics Inc.(UEI)变压吸附和低温精馏耦合的新型制氧机。它利用变压吸附法的装置简单、结构紧凑、出氧时间快和低温精馏法的产品氧纯度高的优点，克服了低温精馏法需要消耗大量昂贵有色金属的缺点，投资为常规机组的2/3，能耗与常规机组相当。由于该制氧机将变压吸附装置设置在低温精馏的空压机和主换热器之间，经变压吸附装置所低压排出的氮气均经过空压机的压缩，所以变压吸附和低温精馏耦合后空压机的负荷和能耗未能降低，造成制氧能耗与常规机组相当。因此，急需开发大规模变压吸附-深冷分离复合的空气分离工艺和装备，满足现代工业对低压高纯度氧气的需求。

3.发明内容

为了克服现有空气变压吸附分离技术存在的不足，本发明的目的是开发一种大规模变压吸附与深冷分离耦合的梯级空分工艺，该工艺能够显著降低高纯氧分离能耗和大规模制氧的投资以及昂贵有色金属材料的用量，实现了变压吸附分离和深冷分离的规模匹配，解决了变压吸附与深冷分离耦合的规模化难题，出氧时间快，氧氮产品比例调控方便。

本发明所采用的工艺，利用径向变压吸附塔提高空气变压吸附分离的规模、降低分离能耗、降低出氧时间，实现了变压吸附分离和深冷分离的规模匹配；通过富氧空气深冷分离降低压缩机、精馏塔和主换热器的负荷，减少投资以及昂贵有色金属材料的用量，进一步降低高压高纯氧、氮气和惰性气体的分离能耗；利用变压吸附排出的低压氮气回收富氧空气压缩的余热，降低深冷分离的冷能消耗，同时解决了干燥和脱二氧化碳吸附塔的加热再生的吹扫气来源和热源，合理利用副产氮气，从而实现了对空气大规模、低压、高纯度、低能耗的梯级分离和利用。

本发明的大规模变压吸附与深冷分离耦合的梯级空分工艺特征是：经过径向预处理吸附塔组干燥和脱二氧化碳的加压空气先通过径向变压吸附塔组吸附分离，30％-85％的富氧空气流出径向变压吸附塔组，低压氮气作为中间产品；径向变压吸附塔组通过程控阀切换，达到饱和吸附的径向变压吸附塔通过降压解吸再生，待吸附的径向变压吸附塔吸附分离空气，实现径向变压吸附塔组的循环使用；30％-85％富氧空气再经过富氧压缩机加压到0.5-0.7MPa，用低压氮气换热后进入低温精馏装置，分离得到液氧和液氮，经液氧泵和液氮泵加压、回收冷量和汽化后得到高压高纯的氧气和氮气；加热后的低压氮气用作径向预处理吸附塔组的再生吹扫气，实现二氧化碳和水的吸附和解吸循环。