專利名稱：多段精餾制取高純氮氣空分工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫法制取高純氮氣的空分工藝，特別是多段精餾制取高純氮氣空分工藝。它適用于低溫法制取高純氮氣行業(yè)。
背景技術(shù)：
目前，低溫法制取高純氮氣行業(yè)大多是采用單級精餾，正流或返流等熵膨脹制冷循環(huán)的工藝進行制取高純氮氣的，該制氮工藝雖然具有流程簡便、設(shè)備筒單且數(shù)量少、占地面積小，操作簡單、運行穩(wěn)定、氮氣產(chǎn)品質(zhì)量高等特點。但是，單級精餾制取高純氮氣的空分工藝有著分離耗功大，能耗高的固有缺陷。單位能耗在0. 30-0. 37KW. h/Nm3N2，氮氣產(chǎn)品提取率低，僅為37-45%之間，且生產(chǎn)產(chǎn)品單一，僅能產(chǎn)出一種壓力等級氮氣產(chǎn)品，另外液氮產(chǎn)品產(chǎn)量較少。
近年來，國外出現(xiàn)了一種雙段精餾、正流等熵膨脹制冷循環(huán)制取高純氮氣的空分工藝。該工藝雖然能提高氮氣產(chǎn)品的提取率，降低氮氣產(chǎn)品的單位能耗，使單位能耗可達 0. 25KW. h/Nm、左右，并能產(chǎn)出中、高壓兩種不同壓力等級的高純氮氣產(chǎn)品，從而使設(shè)備的性能得到非常明顯的提升。但是，如果隨著用戶對中、高壓高純氮氣產(chǎn)品的輸出壓力的要求更高時，大量有用功不能充分利用，不可逆損失也會加大。中、高壓高純氮氣產(chǎn)品的輸出壓力越高時，上述現(xiàn)象就愈突出。因此，需對產(chǎn)品氮氣采用外壓縮的方法，方能緩解所述的突出問題，但這又帶來了設(shè)備增加、投資增大、外壓縮設(shè)備選型困難，產(chǎn)品氮氣加壓后因加壓過程污染而使其純度降低，難以滿足用戶的要求等弊端。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多段精餾制取高純氮氣空分工藝，它能夠克服已有技術(shù)的不足，可有效地減少制取高純氮氣空分工藝流程中的不可逆損失，能充分地利用有用功，并使之轉(zhuǎn)化為制取高純氮氣空分工藝流程所需的冷量，從而可增加液氮產(chǎn)品的產(chǎn)量，又能為部分氮氣產(chǎn)品內(nèi)壓縮提供必要條件；并且能使能耗指標降低、節(jié)能效果好，產(chǎn)品質(zhì)量尚ο
本發(fā)明的工藝流程包括如下工藝步驟
<1>空氣經(jīng)壓縮機壓縮后并經(jīng)預(yù)冷、純化系統(tǒng)進行預(yù)處理后使之成為干燥的壓縮空氣，該干燥的壓縮空氣送入精餾系統(tǒng)的主換熱器中與返流泠氣體進行熱交換，而該干燥的壓縮空氣自身得以冷卻，冷卻后的部分壓縮空氣送去1#膨脹機進行等熵膨脹，產(chǎn)生的部分冷量進入上精餾塔參加精餾，實現(xiàn)第一級正流等熵膨脹制冷循環(huán)。
<2>所述主換熱器中的剩余的干燥壓縮空氣進一步冷卻，在該主換熱器內(nèi)被冷卻至飽和溫度，送至蒸發(fā)器與加壓后的液氮進一步換熱，換熱后送到下精餾塔參加精餾，在下精餾塔精餾過程中，下精餾塔頂部產(chǎn)生了高純氮氣，該高純氮氣與上精餾塔底部的1#冷凝蒸發(fā)器中的富氧液空換熱而形成液氮，部分液化后的液氮作為回流液參加下精餾塔精餾， 另一部分液氮經(jīng)過冷器過冷后作為液氮產(chǎn)品送出精餾系統(tǒng)，剩余部分液氮經(jīng)液氮泵加壓后送到蒸發(fā)器中，與來自上述主換熱器的空氣進行換熱得以汽化，汽化后的液氮再送到上述主換熱器復(fù)熱至常溫，成為高壓氮氣產(chǎn)品送出精餾系統(tǒng)。在上精餾塔塔頂?shù)玫降母呒兊獨猓?一部分從上精餾塔頂取出，經(jīng)過冷器過冷，又經(jīng)上述主換熱器復(fù)熱至常溫后，成為中壓氮氣產(chǎn)品送出精餾系統(tǒng)。另一部分高純氮氣則到上精餾塔中的姊冷凝蒸發(fā)器中，與來自上精餾塔底部1#冷凝蒸發(fā)器并經(jīng)過冷器過冷的富氧液空進行換熱并冷凝、冷凝后的液氮作為回流液在上精餾塔參加精餾，而在上精餾塔塔頂?shù)?#冷凝蒸發(fā)器中的富氧液空蒸發(fā)，該蒸發(fā)后的氣體又經(jīng)過冷器換熱后，進入2#膨脹機進行等熵膨脹，產(chǎn)生冷量，該冷量經(jīng)上述主換熱器復(fù)熱至常溫后，送出精餾系統(tǒng)，去下一單元純化系統(tǒng)再生純化器，這樣實現(xiàn)了第二級返流等熵膨脹制冷循環(huán)。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，由于進行多段精餾、雙級等熵膨脹制冷循環(huán)及帶蒸發(fā)器內(nèi)壓縮制取氮氣空分工藝，能分段制取不同輸出壓力的高純氮氣產(chǎn)品，合理分配精餾過程中的分離功，即有效地減少制取高純氮氣過程中的不可逆損失，充分地利用工藝流程中的可利用的有用功，使之轉(zhuǎn)化為制取高純氮氣空分工藝流程中所需要的冷量，從而可增加液氮產(chǎn)品的產(chǎn)量，還能為氮氣產(chǎn)品的內(nèi)壓縮提供必要條件，實現(xiàn)部分液氮產(chǎn)品內(nèi)壓縮，加上帶有蒸發(fā)器的流程布置，不僅解決了產(chǎn)品外壓縮所造成的設(shè)備增加、投資增大、外壓設(shè)備選型困難、產(chǎn)品氮氣加壓后純度降低等缺陷，而且還降低了單純采用提高加工空氣壓力所帶來的空壓機排壓高，能耗增大、設(shè)備承壓等級增加、設(shè)備成本增加等缺點。若用已有技術(shù)來獲得下列高壓氮氣產(chǎn)品時，高壓氮氣輸送壓力為1.410^(幻，產(chǎn)量100(^711，純度含氧量小于5PPM，則空壓機排壓要達到1. 49MPa(A)，而本發(fā)明采用帶蒸發(fā)器內(nèi)壓縮方法來達到上述同樣指標時，空壓機排壓則為1.2MPa(A)，空壓機能耗降低約256KW。本發(fā)明與已有技術(shù)相比，節(jié)能效果顯著。本發(fā)明可有效地降低單位制氮能耗及提高氮氣提取率，其單位制氮能耗約為0. 2164KW. h/Nm3N2,而氮氣提取率可達71 %，能使高純氮設(shè)備性能得到大幅度提高， 并能顯著提高液氮產(chǎn)量，與已有技術(shù)相比液氮產(chǎn)量可為已有技術(shù)的2倍以上。同時還能提供高壓氮氣及中壓氮氣兩種或兩種以上壓力等級的氮氣產(chǎn)品。并且，與已有技術(shù)相比僅需增加兩臺液氮泵、兩臺膨脹機及蒸發(fā)器，設(shè)備投資及占地面積增加較少，設(shè)備壓力等級也得以降低。同時操作簡單，液氮、高壓氮氣及中壓氮氣的產(chǎn)量均可調(diào)節(jié)，變工況能力強。


附圖為多段精餾制取高純氮氣空分工藝流程原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施方式
。
本發(fā)明采用多段精餾、雙級等熵膨脹制冷循環(huán)及帶蒸發(fā)器內(nèi)壓縮工藝制取高純氮氣。現(xiàn)以雙段精餾為例，其具體工藝流程如下
<1>空氣經(jīng)空氣過濾及壓縮系統(tǒng)15壓縮后，進入預(yù)冷系統(tǒng)16預(yù)冷，再進入純化系統(tǒng)17純化后，得干燥的壓縮空氣，把該壓縮空氣送入精餾系統(tǒng)的位于冷箱5中的主換熱器1 中，與返流冷氣體進行熱交換，而該干燥的壓縮空氣自身得以冷卻，當干燥壓縮空氣被冷卻到< 15°C時，一部分取出去位于冷箱5中的1#膨脹機2進行絕熱膨脹，產(chǎn)生的部分冷量進入上精餾塔8參加精餾，實現(xiàn)第一級正流等熵膨脹制冷循環(huán)；
<2>剩下的壓縮空氣在上述主換熱器1中繼續(xù)被冷卻，當被冷卻至飽和溫度并送至位于冷箱5中的蒸發(fā)器4與加壓后的液氮進一步換熱，換熱后送到位于冷箱5中的下精餾塔11參加精餾，所述的飽和溫度是隨著工藝流程所需壓力的變化而變化的，現(xiàn)以飽和溫度-110K為例，經(jīng)過下精餾塔11的精餾，在該下精餾塔11的塔頂產(chǎn)生了高純氮氣，而在塔底產(chǎn)生了富氧液空，該富氧液空從下精餾塔11中取出經(jīng)過冷器14過冷后，送到位于冷箱5 中的上精餾塔8中參加精餾，下精餾塔11塔頂?shù)玫降母呒兊獨馀c上精餾塔8底部1#冷凝蒸發(fā)器9中的富氧液空進行換熱，該富氧液空蒸發(fā)成為上精餾塔8中的上升蒸汽，而高純氮氣被液化為液氮，其中一部分液氮作為回流液回流到下精餾塔11中參加精餾，而另一部分液氮經(jīng)過冷器14過冷后作為液氮產(chǎn)品，經(jīng)冷箱5中的液氮量筒10計量后送出精餾系統(tǒng)，進入貯存系統(tǒng)12，剩余部分液氮經(jīng)液氮泵6加壓送到蒸發(fā)器4中，與來自所述主換熱器1中的空氣進行換熱得以汽化，液化后的液氮再送到主換熱器1中復(fù)熱至常溫，得高壓氮氣產(chǎn)品， 并送出精餾系統(tǒng)到用戶18。
而來自所述1#膨脹機2的膨脹空氣及來自所述下精餾塔11的富氧液空，進入所述上精餾塔8中參加精餾后，在該上精餾塔8的塔頂?shù)玫礁呒兊獨?，而在塔底得到高富氧液空。該高富氧液空中的一部分從上精餾塔8底部取出，經(jīng)過冷器14過冷后，送到上精餾塔 8頂部的2#冷凝蒸發(fā)器7中作為冷源。而上精餾塔8頂部的高純氮氣，一部分從該塔內(nèi)取出，經(jīng)過冷器14過冷后，進入主換熱器1復(fù)熱至常溫，得中壓氮氣產(chǎn)品，送出精餾系統(tǒng)到用戶18。另一部分高純氮氣送到所述姊冷凝蒸發(fā)器7中，與來自上精餾塔8底部1#冷凝蒸發(fā)器2并經(jīng)過冷器14過冷的高富氧液空進行換熱并冷凝，換熱冷凝后作為回流液回上精餾塔8參與精餾，而該2#冷凝蒸發(fā)器7中的高富氧液空與上精餾塔8頂部的高純氮氣換熱并汽化后，送入過冷器14換熱，而后，進入位于冷箱5中的姊膨脹機3進行絕熱膨脹，膨脹后的高富氧空氣進入主換熱器1復(fù)熱后并送出精餾系統(tǒng)，去純化系統(tǒng)17再生純化器，從而實現(xiàn)第二級返流等熵膨脹制冷循環(huán)。液體排放槽13為設(shè)備停車時，剩余液體排放之用。
權(quán)利要求
1. 一種多段精餾制取高純氮氣空分工藝，其特征在于該工藝包括如下步驟<1>將經(jīng)壓縮、預(yù)冷、純化后的干燥壓縮空氣，送入精餾系統(tǒng)中的主換熱器(1)中與返流泠氣體進行熱交換，該干燥壓縮空氣自身得以冷卻，冷卻后的部分壓縮空氣送去1#膨脹機(2)進行等熵膨脹，產(chǎn)生的部分冷量進入上精餾塔(8)參加精餾，從而實現(xiàn)第一級等熵膨脹制冷循環(huán)；<2>所述主換熱器(1)中的剩余干燥壓縮空氣進一步冷卻，在該主換熱器(1)中被冷卻至飽和溫度，送至蒸發(fā)器中與加壓后的液氮進一步換熱后，再送到下精餾塔(11)參加精餾，在下精餾塔(11)精餾過程中，于下精餾塔(11)的頂部產(chǎn)生高純氮氣，該高純氮氣在1#冷凝蒸發(fā)器(9)中與上精餾塔(8)底部的富氧液空進行換熱而形成液氮，部分被液化后的液氮作為回流液參加下精餾塔(11)精餾，另一部分液氮經(jīng)過冷器(14)過冷后作為液氮產(chǎn)品送出精餾系統(tǒng)，剩余部分液氮經(jīng)液氮泵(6)加壓后送到蒸發(fā)器⑷中，與來自所述主換熱器(1)中的空氣進行換熱得以汽化，汽化后的液氮再送到該主換熱器(1)中復(fù)熱至常溫，成為高壓氮氣產(chǎn)品送出精餾系統(tǒng)，而上精餾塔(8)的塔頂?shù)玫降母呒兊獨?，一部分從上精餾塔(8)塔頂取出，經(jīng)過冷器(14)過冷，又經(jīng)所述主換熱器(1)復(fù)熱至常溫后，成為中壓氮氣產(chǎn)品送出精餾系統(tǒng)，而另一部分高純氮氣到上精餾塔(8)中的姊冷凝蒸發(fā)器(7)中， 與來自上精餾塔(8)底部1#冷凝蒸發(fā)器(9)并經(jīng)過冷器(14)過冷的富氧液空換熱并冷凝， 冷凝后的液氮作為回流液在上精餾塔(8)中參加精餾，而在上精餾塔(8)中的姊冷凝蒸發(fā)器(7)中的富氧液空蒸發(fā)，該蒸發(fā)后的氣體又經(jīng)過冷器(14)換熱后，送入姊膨脹機(3)進行等熵膨脹，產(chǎn)生冷量，該冷量經(jīng)所述主換熱器(1)復(fù)熱至常溫后，送出精餾系統(tǒng)，去純化系統(tǒng)(17)再生純化器，從而實現(xiàn)第二級等熵膨脹制冷循環(huán)。
全文摘要
一種多段精餾制取高純氮氣空分工藝，主要是利用低溫方法加上采用多段精餾、等熵膨脹制冷循環(huán)及帶有蒸發(fā)器的部分高純氮氣產(chǎn)品實現(xiàn)內(nèi)壓縮之制高純氮氣空分工藝。該方法能分段制取不同輸出壓力的氮氣產(chǎn)品，合理分配精餾過程中的分離功即有效地減少制氮工藝流程中不可逆損失，能充分地利用工藝流程中的可利用的有用功，并使之轉(zhuǎn)化為該制氮氣工藝流程中所需要冷量，從而增加液氮產(chǎn)品的產(chǎn)量。該方法不僅能實現(xiàn)部分氮氣產(chǎn)品內(nèi)壓縮，加上帶有蒸發(fā)器的流程布置，能提供高壓氮氣和中壓氮氣等兩種或兩種以上壓力等級的高純氮氣產(chǎn)品。不僅流程合理而且具有明顯的節(jié)能效果，即有效地降低單位制氮能耗，其單位制氮能耗約為0.2164KW.h/Nm3N2，氮氣提取率高可達71％，使高純氮設(shè)備性能得到大幅度提高。
文檔編號F25J3/04GK102506559SQ20111030195
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者曹鈞 申請人:開封東京空分集團有限公司