一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置及方法
2023-10-19 14:54:02
一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及深冷分離提純氮氣及液氮的裝置及方法，該方法原料為空氣，空氣依次通過空氣壓縮系統壓縮、預冷系統冷卻、純化系統除去雜質後進入分餾塔系統，進入分餾塔系統的氣體分兩部分：一部分進入增壓端增壓後經冷卻器換熱後進入主換熱器，經主換熱器中下部抽出進入膨脹端進行絕熱膨脹，膨脹後的空氣經主換熱器復熱後送出冷箱；一部分空氣直接進入主換熱器被冷卻至液化點後進入單級精餾塔進行精餾。氮氣產品從單級精餾塔的頂部抽出經主換熱器復熱至常溫後經閥門進入氮氣收集單元，液氮產品從主冷液氮側抽出經液氮過冷器與返回小部分的液氮換熱被過冷後經閥門進入液氮收集單元。本發明工藝流程操作簡單、提取率高且能耗低，同時設備投資成本低。
【專利說明】一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及空氣分離領域，尤其涉及一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著工業的迅速發展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領域獲得了廣泛的應用。氮氣是一種化學性質不活潑的氣體，不易與其他物質發生化學反應。因此，氮氣在冶金工業、食品冷凍、電子工業、化工工業中廣泛的用來作為保護氣和密封氣，一般保護氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的純氮。
[0003]隨著氮氣產品的需求量增大，純氮設備的規模也在不斷的變大。純氮設備的流程形式也是一直在改變，推陳出新。
[0004]目前純氮設備採用的流程主要有單塔廢氣返流膨脹流程、雙塔正流膨脹流程、雙塔返流膨脹流程等等。以上流程形式適合小型制氮設備，隨著制氮設備的規模擴大，以上所述的流程形式能耗較高、操作複雜、不易於用戶操作的缺點日益明顯。
【發明內容】
[0005]本發明克服上述現有技術中的不足提供一種能耗低、工藝流程簡單的通過空氣深冷分離提純氮氣及液氮的裝置及方法。
[0006]本發明的技術方案是這樣實現的:一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置，包括空氣壓縮系統、預冷系統、純化系統和分餾塔系統，所述分餾塔系統包括主換熱器、膨脹機的膨脹端、單級精餾塔、液氮過冷器；所述空氣壓縮系統通過第一管道與預冷系統相連接，所述預冷系統通過第二管道與純化系統連接，所述純化系統上連接第三管道，所述第三管道上連接第四管道和第五管道，所述第四管道經主換熱器連接在精餾塔下部的氣體入口處；所述第五管道與膨脹機的增壓端相連接，所述增壓端通過第六管道連接一冷卻器，所述冷卻器通過第七管道連接分餾塔系統內的主換熱器，所述第七管道經主換熱器後與第八管道相連接，所述第八管道連接膨脹機的膨脹端，所述膨脹端的出口處連接第九管道，所述第九管道經主換熱器後連接在預冷系統上；所述單級精餾塔下部的液體出口處連接第十管道，所述第十管道經過第一節流閥後連接在所述冷凝蒸發器頂部，所述單級精餾塔頂部的氮氣出口處連接第十一管道，所述第十一管道經過主換熱器後通過第五節流閥連接氮氣收集單元，所述冷凝蒸發器上方的汙氣出口處連接一第十二管道，所述第十二管道經過主換熱器後連接在分餾塔系統外部的噴射蒸發器上，所述噴射蒸發器上連接第十八管道，所述第十八管道與第十九管道及第二十管道分別相連通，所述第十九管道連接純化系統，所述第二十管道連接預冷系統；所述冷凝器蒸發器的液氮側出口處連接第十三管道，所述第十三管道經過液氮過冷器後分別與第十四管道及第十五管道相連通，所述第十四管道經過第三節流閥後連接在分餾塔系統外部的液氮收集單元上，所述第十五管道經過第二節流閥連接液氮過冷器，所述液氮過冷器通過第十六管道與第九管道相通，所述冷凝蒸發器的液空側出口連接第十七管道，所述第十七管道通過第四節流閥連接噴射蒸發器。
[0007]所述單級精餾塔為塔板數為38?55或對應塔盤數為45?75盤的規整填料塔。
[0008]一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，該方法如下:
O原料氣為空氣，空氣先經過空氣壓縮系統壓縮，壓縮後的壓力為48Mpa、溫度為?100°C氣體經第一管道進入預冷系統進行冷卻，冷卻至8?17°C，冷卻後的氣體通過第二管道進入空氣純化系統，經過空氣純化系統吸附掉水、二氧化碳及部分碳氫化合物後經由第三管道進入分餾塔系統，進入分餾塔系統後的氣體分為兩部分:一部分氣體經過第五管道進入膨脹機的增壓端，然後通過第六管道送入冷卻器，通過冷卻器冷卻後經由第七管道在主換熱器中與返流的富氧空氣、氮氣進行熱交換，熱交換後空氣從主換熱器中下部抽出，溫度為-11(T-135°C，通過第八管道進入膨脹機的膨脹端進行絕熱膨脹，膨脹後的空氣壓力為25kPa、溫度為-17(T-187°C的氣體通過第九管道經主換熱器復熱後送出分餾塔系統送出分餾塔系統；另一部分氣體通過第四管道經主換熱器被冷卻至液化點後通過單級精餾塔下部的氣體入口進入單級精餾塔進行精餾；
2)單級精餾塔在塔頂得到純氮氣及液氮，純度含氧為小於1PPmO2,單級精餾塔塔底為40%的富氧液空；單級精餾塔所需的回流液來自塔頂部的冷凝蒸發器，液空得到蒸發，而氮氣得到冷凝；部分液氮回單級精餾塔作為回流液，另一部分液氮經液氮過冷器分為兩部分:大部分液氮通過第十四管道經液氮過冷器、第三節流閥被送入液氮收集單元，一小部分液氮通過第十五管道經第二節流閥至低壓後返回液氮過冷器與液氮換熱，然後匯合膨脹空氣送出分餾塔系統；來自單級精餾塔塔釜的富氧液空，經過第十管道、第一節流閥節流後進入塔頂的冷凝蒸發器，在冷凝蒸發器頂部抽出的富氧空氣通過第十二管道經過主換熱器復熱後進入噴射蒸發器，在冷凝蒸發器氮氣側出口抽出的氮氣通過第十一管道經過主換熱器復熱後經第五節流閥節流而後進入氮氣收集單元，與冷凝蒸發器底部抽出的通過第十七管道及第四節流閥被送入噴射蒸發器的液體換熱後進入第十八管道，第十八管道內的氣體一部分通過第十九管道去空氣純化系統作再生氣，另一部分通過第二十管道進入空氣預冷系統回收冷量。
[0009]經空氣壓縮系統壓縮後的氣體壓力為0.48MPa，溫度為?100°C;經預冷系統冷卻後的氣體溫度為8?17°C。
[0010]增壓端增壓後的氣體經過冷器冷卻後的溫度為40°C。
[0011]製得的氮氣及液氮產品純度大於99.99%02，氮氣中氧氣為小於10PPm02。
[0012]透平膨脹機的增壓端的空氣是來自純化後的氣體進行增壓，膨脹機的膨脹端的氣體來自增壓端的氣體，經過主換熱器中部抽出經第八管道進入膨脹端膨脹，膨脹後經主換熱器換熱後去空氣預冷系統，為空分裝置提供冷量；膨脹機採用常規的低壓膨脹，膨脹機效率可達88%。
[0013]從噴射蒸發器出來的廢氣一部分通過第十九管道進入空氣純化系統作為裝置的再生氣，另一部分通過第二十管道進入空氣預冷系統回收冷量。
[0014]冷凝蒸發器底部抽出富氧液空進入噴射蒸發器與富氧空氣換熱，稀釋主冷的碳氫化合物含量，減少爆炸的危險。
[0015]本發明的技術方案產生的積極效果如下:液氮產品利用小部分液氮節流至常壓產生冷量經過過冷器與其換熱，從而增加送入液氮收集單元的液氮過冷度，減少產品液氮的氣化率，保證進液氮收集單元為全液體狀態，大大的增加了液氮的產量，減少了能耗的損失。
[0016]冷凝蒸發器抽出部分富氧液空與富氧空氣換熱，既回收了冷量又稀釋了主冷的碳氫化合物含量，從而減少了爆炸的危險。
[0017]所述精餾塔採用規整填料，換熱效果好，操作彈性大，適用於變工況操作；所述精餾塔及冷凝蒸發器為一體式設備，廠內複合完畢經氮封后發至現場。
[0018]所述主換熱器及過冷器為鋁製翅片式換熱器，換熱效果好。
[0019]所述膨脹機的增壓端的空氣是來自純化後的氣體進行增壓，膨脹機的膨脹端的氣體來自增壓端的氣體，經過換熱器中部抽出經管道進入膨脹端膨脹，膨脹後經換熱器換熱後去預冷系統作為冷量，為空分裝置提供冷量。所述膨脹機效率可達88%。
[0020]本發明採用一種操作簡單、產品提取率高、佔地面積小的流程形式來獲取氮氣及液氮產品，不僅能耗低、工藝流程簡單，而且製取效率高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明深冷分離提純氮氣及液氮的裝置的結構示意圖。
[0022]圖中標註為:1、空氣壓縮系統；2、空氣預冷系統；3、空氣純化系統；4、分餾塔系統；5、透平膨脹機的增壓端；6、冷卻器；7、主換熱器；8、透平膨脹機的膨脹端；9、單級精餾塔；10、冷凝蒸發器；11、液氮過冷器；12、第一節流閥；13、第二節流閥；14、第三節流閥；15、液氮收集單元；16、第四節流閥；17、噴射蒸發器；18、第五節流閥；19、氮氣收集單元；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。
【具體實施方式】
[0023]實施例一
一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置，如圖1所示，包括空氣壓縮系統1、空氣預冷系統2、空氣純化系統3和分餾塔系統4，所述分餾塔系統包括主換熱器7、透平膨脹機的增壓端5、透平膨脹機的膨脹端8、單級精餾塔9、液氮過冷器11 ;所述空氣壓縮系統通過第一管道101與空氣預冷系統相連接，所述空氣預冷系統通過第二管道102與空氣純化系統連接，所述空氣純化系統上連接第三管道103，所述第三管道上連接第四管道104和第五管道105，所述第四管道經主換熱器連接在單級精餾塔下部的氣體入口處；所述第五管道與透平膨脹機的增壓端相連接，所述增壓端通過第六管道106連接一冷卻器6，所述冷卻器通過第七管道107連接分餾塔系統內的主換熱器，所述第七管道經主換熱器後與第八管道108相連接，所述第八管道連接透平膨脹機的膨脹端，所述膨脹端的出口處連接第九管道109，所述第九管道經主換熱器後連接在空氣預冷系統上；所述單級精餾塔下部的液體出口處連接第十管道110，所述第十管道經過第一節流閥12後連接在所述冷凝蒸發器10頂部，所述單級精餾塔頂部的氮氣出口處連接第十一管道111，所述第十一管道經過主換熱器後通過第五節流閥18連接氮氣收集單元19，所述冷凝蒸發器上方的汙氣出口處連接一第十二管道112，所述第十二管道經過主換熱器後連接在分餾塔系統外部的噴射蒸發器上，所述噴射蒸發器上連接第十八管道118，所述第十八管道與第十九管道119及第二十管道120分別相連通，所述第十九管道連接空氣純化系統，所述第二十管道連接空氣預冷系統；所述冷凝蒸發器的液氮側出口處連接第十三管道113，所述第十三管道經過液氮過冷器後分別與第十四管道114及第十五管道115相連通，所述第十四管道經過第三節流閥14後連接在分餾塔系統外部的液氮收集單元15上，所述第十五管道經過第二節流閥13連接液氮過冷器，所述液氮過冷器通過第十六管道與第九管道相通，所述冷凝蒸發器的液空側出口連接第十七管道117，所述第十七管道通過第四節流閥16連接噴射蒸發器17。
[0024]所述單級精餾塔為塔板數為38飛5的規整填料塔。
[0025]實施例二
一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，該方法包括:
1)原料氣為空氣，空氣先經過空氣壓縮系統I壓縮，壓縮後的壓力為48Mpa、溫度為?100°C氣體經第一管道101進入空氣預冷系統2進行冷卻，冷卻至8?17°C，冷卻後的氣體通過第二管道102進入空氣純化系統3，經過空氣純化系統吸附掉水、二氧化碳及部分碳氫化合物後經由第三管道103進入分餾塔系統4，進入分餾塔系統後的氣體分為兩部分:一部分氣體經過第五管道105進入透平膨脹機的增壓端5，然後通過第六管道106送入冷卻器6，通過冷卻器冷卻後經由第七管道107在主換熱器7中與返流的富氧空氣、氮氣進行熱交換，熱交換後空氣從主換熱器中下部抽出，溫度為_11(T-135°C，通過第八管道108進入膨脹機的膨脹端8進行絕熱膨脹，膨脹後的空氣壓力為25kPa、溫度為-17(T-187°C的氣體通過第九管道109經主換熱器復熱後送出分餾塔系統；另一部分氣體通過第四管道104經主換熱器被冷卻至液化點後通過單級精餾塔9下部的氣體入口進入單級精餾塔進行精餾；
2)單級精餾塔在塔頂得到純氮氣及液氮，純度含氧為小於1PPmO2,單級精餾塔塔底為40%的富氧液空；單級精餾塔所需的回流液來自塔頂部的冷凝蒸發器，液空得到蒸發，而氮氣得到冷凝；部分液氮回單級精餾塔作為回流液，另一部分液氮經液氮過冷器分為兩部分:大部分液氮通過第十四管道114經液氮過冷器、第三節流閥14被送入液氮收集單元15，一小部分液氮通過第十五管道115經第二節流閥至低壓後返回液氮過冷器11與液氮換熱，然後匯合膨脹空氣送出分餾塔系統；來自單級精餾塔塔釜的富氧液空，經過第十管道110、第一節流閥12節流後進入塔頂的冷凝蒸發器10，在冷凝蒸發器頂部抽出的富氧空氣通過第十二管道112經過主換熱器復熱後進入噴射蒸發器，在冷凝蒸發器氮氣側出口抽出的氮氣通過第十一管道經過主換熱器復熱後經第五節流閥18節流而後進入氮氣收集單元19，與冷凝蒸發器底部抽出的通過第十七管道117及第四節流閥16被送入噴射蒸發器17的液體換熱後進入第十八管道118，第十八管道內的氣體一部分通過第十九管道119去空氣純化系統作再生氣，另一部分通過第二十管道120進入空氣預冷系統回收冷量；
經空氣壓縮系統壓縮後的氣體壓力為0.48MPa，溫度為?100°C;經預冷系統冷卻後的氣體溫度為8?17°C。
[0026]增壓端增壓後的氣體經過冷器冷卻後的溫度為40°C。
[0027]製得的氮氣及液氮產品純度大於99.99%02，氮氣中氧氣為小於10PPm02。
[0028]透平膨脹機的增壓端的空氣是來自純化後的氣體進行增壓，膨脹機的膨脹端的氣體來自增壓端的氣體，經過主換熱器中部抽出經第八管道進入膨脹端膨脹，膨脹後經主換熱器換熱後去空氣預冷系統，為空分裝置提供冷量；膨脹機採用常規的低壓膨脹，膨脹機效率可達88%。
[0029]從噴射蒸發器出來的廢氣一部分通過第十九管道進入空氣純化系統作為裝置的再生氣，另一部分通過第二十管道進入空氣預冷系統回收冷量。
[0030]冷凝蒸發器底部抽出富氧液空進入噴射蒸發器與富氧空氣換熱，稀釋主冷的碳氫化合物含量，減少爆炸的危險。
[0031]本實施例中用到的深冷分離提純氮氣及液氮的裝置為實施例一中的深冷分離提純氮氣及液氮的裝置，在此不再一一贅述。
【權利要求】
1.一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置，包括空氣壓縮系統、預冷系統、純化系統和分餾塔系統，其特徵在於:所述分餾塔系統包括主換熱器、膨脹機的膨脹端、單級精餾塔、液氮過冷器；所述空氣壓縮系統通過第一管道與預冷系統相連接，所述預冷系統通過第二管道與純化系統連接，所述純化系統上連接第三管道，所述第三管道上連接第四管道和第五管道，所述第四管道經主換熱器連接在精餾塔下部的氣體入口處；所述第五管道與膨脹機的增壓端相連接，所述增壓端通過第六管道連接一冷卻器，所述冷卻器通過第七管道連接分餾塔系統內的主換熱器，所述第七管道經主換熱器後與第八管道相連接，所述第八管道連接膨脹機的膨脹端，所述膨脹端的出口處連接第九管道，所述第九管道經主換熱器後連接在預冷系統上；所述單級精餾塔下部的液體出口處連接第十管道，所述第十管道經過第一節流閥後連接在所述冷凝蒸發器頂部，所述單級精餾塔頂部的氮氣出口處連接第十一管道，所述第十一管道經過主換熱器後通過第五節流閥連接氮氣收集單元，所述冷凝蒸發器上方的汙氣出口處連接一第十二管道，所述第十二管道經過主換熱器後連接在分餾塔系統外部的噴射蒸發器上，所述噴射蒸發器上連接第十八管道，所述第十八管道與第十九管道及第二十管道分別相連通，所述第十九管道連接純化系統，所述第二十管道連接預冷系統；所述冷凝器蒸發器的液氮側出口處連接第十三管道，所述第十三管道經過液氮過冷器後分別與第十四管道及第十五管道相連通，所述第十四管道經過第三節流閥後連接在分餾塔系統外部的液氮收集單元上，所述第十五管道經過第二節流閥連接液氮過冷器，所述液氮過冷器通過第十六管道與第九管道相通，所述冷凝蒸發器的液空側出口連接第十七管道，所述第十七管道通過第四節流閥連接噴射蒸發器。
2.根據權利要求1所述的一種深冷分離提純氮氣及液氮的裝置，其特徵在於:所述單級精餾塔為塔板數為38?55或對應塔盤數為45?75盤的規整填料塔。
3.一種利用如權利要求1中所述的裝置進行深冷分離提純氮氣及液氮的方法，其特徵在於:該方法如下: O原料氣為空氣，空氣先經過空氣壓縮系統壓縮，壓縮後的壓力為48Mpa、溫度為?100°C氣體經第一管道進入預冷系統進行冷卻，冷卻至8?17°C，冷卻後的氣體通過第二管道進入空氣純化系統，經過空氣純化系統吸附掉水、二氧化碳及部分碳氫化合物後經由第三管道進入分餾塔系統，進入分餾塔系統後的氣體分為兩部分:一部分氣體經過第五管道進入膨脹機的增壓端，然後通過第六管道送入冷卻器，通過冷卻器冷卻後經由第七管道在主換熱器中與返流的富氧空氣、氮氣進行熱交換，熱交換後空氣從主換熱器中下部抽出，溫度為-11(T-135°C，通過第八管道進入膨脹機的膨脹端進行絕熱膨脹，膨脹後的空氣壓力為25kPa、溫度為-17(T-187°C的氣體通過第九管道經主換熱器復熱後送出分餾塔系統；另一部分氣體通過第四管道經主換熱器被冷卻至液化點後通過單級精餾塔下部的氣體入口進入單級精餾塔進行精餾； 2)單級精餾塔在塔頂得到純氮氣及液氮，純度含氧為小於1PPmO2,單級精餾塔塔底為40%的富氧液空；單級精餾塔所需的回流液來自塔頂部的冷凝蒸發器，液空得到蒸發，而氮氣得到冷凝；部分液氮回單級精餾塔作為回流液，另一部分液氮經液氮過冷器分為兩部分:大部分液氮通過第十四管道經液氮過冷器、第三節流閥被送入液氮收集單元，一小部分液氮通過第十五管道經第二節流閥至低壓後返回液氮過冷器與液氮換熱，然後匯合膨脹空氣送出分餾塔系統；來自單級精餾塔塔釜的富氧液空，經過第十管道、第一節流閥節流後進入塔頂的冷凝蒸發器，在冷凝蒸發器頂部抽出的富氧空氣通過第十二管道經過主換熱器復熱後進入噴射蒸發器，在冷凝蒸發器氮氣側出口抽出的氮氣通過第十一管道經過主換熱器復熱後經第五節流閥節流而後進入氮氣收集單元，與冷凝蒸發器底部抽出的通過第十七管道及第四節流閥被送入噴射蒸發器的液體換熱後進入第十八管道，第十八管道內的氣體一部分通過第十九管道去空氣純化系統作再生氣，另一部分通過第二十管道進入空氣預冷系統回收冷量。
4.根據權利要求3所述的一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，其特徵在於:經空氣壓縮系統壓縮後的氣體壓力為0.48MPa，溫度為?100°C ;經預冷系統冷卻後的氣體溫度為8 ?17。。。
5.根據權利要求3所述的一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，其特徵在於:增壓端增壓後的氣體經過冷器冷卻後的溫度為40°C。
6.根據權利要求3所述的一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，其特徵在於:製得的氮氣及液氮產品純度大於99.99%02，氮氣中氧氣為小於10PPm02。
7.根據權利要求3所述的一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，其特徵在於:透平膨脹機的增壓端的空氣是來自純化後的氣體進行增壓，膨脹機的膨脹端的氣體來自增壓端的氣體，經過主換熱器中部抽出經第八管道進入膨脹端膨脹，膨脹後經主換熱器換熱後去空氣預冷系統，為空分裝置提供冷量；膨脹機採用常規的低壓膨脹，膨脹機效率可達88%。
8.根據權利要求3所述的一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，其特徵在於:從噴射蒸發器出來的廢氣一部分通過第十九管道進入空氣純化系統作為裝置的再生氣，另一部分通過第二十管道進入空氣預冷系統回收冷量。
9.根據權利要求3所述的一種深冷分離提純氮氣及液氮的方法，其特徵在於:冷凝蒸發器底部抽出富氧液空進入噴射蒸發器與富氧空氣換熱，稀釋主冷的碳氫化合物含量，減少爆炸的危險。
【文檔編號】F25J3/04GK104296500SQ201410538125
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】卓躍光, 王慶波, 彭喜魁, 年濤, 孟慶烜, 任鐵柱, 陳國慶, 趙洪, 趙媛媛, 張惠媛, 張勇強 申請人:開封空分集團有限公司