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CN115060041B - 一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法 - Google Patents

一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法 Download PDF

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CN115060041B CN202210751096.XA CN202210751096A CN115060041B CN 115060041 B CN115060041 B CN 115060041B CN 202210751096 A CN202210751096 A CN 202210751096A CN 115060041 B CN115060041 B CN 115060041B
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Abstract

本发明提供了一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法，空气过滤压缩系统、空气预冷纯化系统、精馏系统、换热系统和膨胀系统，精馏系统包括主氮塔、辅助氮塔；换热系统包括主换热器、主氮塔冷凝器、辅助氮塔冷凝器、过冷器；膨胀系统包括膨胀机，膨胀机具有增压端和膨胀端；各设备部件间经管道进行连接。采用双塔精馏、落地布置、返流膨胀的组织形式，利用液氮泵将辅助氮塔液氮增压后为主氮塔提供部分回流液，同时将部分主氮塔底部过冷液空、主氮塔冷凝器液空送至辅助氮塔参与精馏，辅助氮塔底部液空过冷后为辅助氮塔冷凝器提供冷源。该方法可有效提高氮气及液氮的产量，经济效益显著，系统简单，氮提取率高，运行可靠性及安全性高。

Description

一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法
技术领域
本发明涉及一种双塔提产制氮系统，特别是涉及一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统，本发明还涉及一种双塔提产制氮的方法，特别涉及一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法，属于空气低温分离纯化技术领域。
背景技术
伴随半导体、电子信息、生物医药、新材料等新兴产业的快速发展，尤其是动力及储能电池企业的发展，市场对高纯氮的需求量及规模越发壮大，目前，工业上规模化制氮，尤其对于中大型高纯氮制备装置而言，大多采用低温精馏法制氮。
现有双塔精馏制氮方法及装置存在可改善方面，如专利申请号为“CN107345737A”提供了双塔叠放布置，存在着两相流及布置局限性问题、专利申请号为“CN113310282A”结构布置复杂、正流膨胀能源利用率偏低，专利申请号为“CN212006434U”还存在着氮产品提产的潜力，为此设计一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统，采用全低压分子筛吸附预净化、返流膨胀机制冷、双填料氮塔落地布置的工艺组织，包括空气过滤压缩系统、预冷纯化系统、主换热器、过冷器、主氮塔、主氮塔冷凝器、辅助氮塔、辅助氮塔冷凝器和工艺液氮泵；
主氮塔、辅助氮塔冷凝器分别与塔器复合安装。主氮塔底部富氧液空管线依次与主换热器及主氮塔冷凝器、辅助氮塔相连，主氮塔冷凝器液空管线与辅助氮塔相连，辅助氮塔底部液空依次与主换热器、辅助氮塔冷凝器相连；
主氮塔氮气管线依次与主换热器、膨胀机相连，主冷凝器蒸发的富氧空气与辅助氮塔相连；
辅助氮塔冷凝器富氧空气依次与主换热器、膨胀机、主换热器、纯化系统相连，回流液氮分别与过冷器、工艺液氮泵及主氮塔相连。
优选的，所述富氧液空一经主换热器过冷后分为两部分，一部分进入所述主氮塔冷凝器作为冷源；另一部分经节流后进入辅助氮塔下部参与精馏。
优选的，主氮塔上部压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机进一步增压后送用户。
优选的，通过阀门控制隔断双精馏塔连接流路，单精馏塔、双精馏塔切换运行。
一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮方法，包括如下步骤：
S100：经过滤压缩、预冷纯化后的纯化空气经主换热器冷却，进入主氮塔底部进行精馏；
S200：在所述主氮塔的底部获得富氧液空一，富氧液空一经主换热器过冷后分成两部分，一部分节流后进入所述辅助氮塔下部参与精馏；一部分进入所述主氮塔冷凝器作为冷源，部分被蒸发后的富氧液空一进入辅助氮塔底部参与精馏，浓缩富氧液空一节流后进入辅助氮塔下部参与精馏；
S300：在所述主氮塔的顶部获得压力氮气，压力氮气分为两部分，一部分进入主氮塔冷凝器作为热源，被液化后回流所述主氮塔，一部分压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机增压端增压后供用户；
S400：所述辅助氮塔的底部得到富氧液空二，富氧液空二经主换热器过冷后进入所述辅助氮塔冷凝器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的富氧液空二经主换热器复热后去膨胀机膨胀制冷，膨胀后的富氧液空二经主换热器复热至常温后分为两部分送出冷箱，一部分去水冷塔冷却循环水，另一部分作为再生气去电加热器加热后，作为再生气对吸附器分子筛再生；
S500：所述辅助氮塔顶部得到低压氮气，低压氮气全部进入所述辅助氮塔冷凝器作为热源，被液化后分为三部分，一部分回流所述辅助氮塔；一部分经液氮泵增压后进入所述主氮塔上部，作为回流液；另一部分经过冷器过冷后供用户。
优选的，所述步骤S200中，所述富氧液空一经主换热器过冷后分为两部分，一部分直接进入所述主氮塔冷凝器作为冷源；另一部分节流后进入辅助氮塔下部参与精馏。
优选的，所述压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机增压端进一步增压，以提高氮气压力。
优选的，所述步骤S300中，还包括抽取所述主氮塔主冷凝蒸发器中液化产生的压力液氮作为液氮产品；
和/或，所述步骤S500中，还包括抽取所述辅助氮塔冷凝器中液化产生的低压液氮作为液氮产品。
优选的，所述步骤S400中，所述富氧液空二经主换热器过冷后进入所述辅助氮塔冷凝器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的富氧液空二经主换热器复热后去膨胀机膨胀制冷。
优选的，所述步骤S500中，所述低压液氮经泵增压后进入所述主氮塔上部，作为主氮塔回流液。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统及方法，利用主氮塔底部液空过冷后节流进入辅助氮塔参与精馏，可提高氮产量。
利用主氮塔冷凝器液空节流进入辅助氮塔参与精馏，可提高氮产量；主氮塔冷凝器安全排放量充足，保证了运行的安全性。
辅助氮塔底部液空过冷后作为辅助冷凝器的唯一冷源，便于控制，操作简单。
复热后氮气产品经膨胀机增压端增压，提升氮气压力，具备一定的节能效果，尤其适用于对氮气压力高的生产工艺。
本发明可实现单、双塔切换运行，装置的操作弹性大。
附图说明
图1为本发明实施的工艺管道连接示意图；
图中：100空气过滤器，200原料空压机，300冷冻水泵，400空气冷却塔，500水冷塔，600冷水机组，700吸附器，800电加热器，1000主换热器，1100主氮塔，1110主氮塔冷凝器，1200辅助氮塔，1210辅助氮塔冷凝器，1300过冷器，1400工艺液氮泵，1500增压透平膨胀机。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统，采用全低压分子筛吸附预净化、返流膨胀机制冷、双填料氮塔落地布置的工艺组织，包括空气过滤压缩系统、预冷纯化系统、主换热器、过冷器、主氮塔、主氮塔冷凝器、辅助氮塔、辅助氮塔冷凝器和工艺液氮泵；
主氮塔、辅助氮塔冷凝器分别与塔器复合安装。主氮塔底部富氧液空管线依次与主换热器及主氮塔冷凝器、辅助氮塔相连，主氮塔冷凝器液空管线与辅助氮塔相连，辅助氮塔底部液空依次与主换热器、辅助氮塔冷凝器相连；
主氮塔氮气管线依次与主换热器、膨胀机相连，主冷凝器蒸发的富氧空气与辅助氮塔相连；
辅助氮塔冷凝器富氧空气依次与主换热器、膨胀机、主换热器、纯化系统相连，回流液氮分别与过冷器、工艺液氮泵及主氮塔相连。
在本实施例中，所述富氧液空一经主换热器过冷后分为两部分，一部分进入所述主氮塔冷凝器作为冷源；另一部分经节流后进入辅助氮塔下部参与精馏。
在本实施例中，主氮塔上部压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机进一步增压后送用户。
在本实施例中，通过阀门控制隔断双精馏塔连接流路，单精馏塔、双精馏塔切换运行。
一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮方法，包括如下步骤：
S100：经过滤压缩、预冷纯化后的纯化空气经主换热器冷却，进入主氮塔底部进行精馏；
S200：在所述主氮塔的底部获得富氧液空一，富氧液空一经主换热器过冷后分成两部分，一部分节流后进入所述辅助氮塔下部参与精馏；一部分进入所述主氮塔冷凝器作为冷源，部分被蒸发后的富氧液空一进入辅助氮塔底部参与精馏，浓缩富氧液空一节流后进入辅助氮塔下部参与精馏；
S300：在所述主氮塔的顶部获得压力氮气，压力氮气分为两部分，一部分进入主氮塔冷凝器作为热源，被液化后回流所述主氮塔，一部分压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机增压端增压后供用户；
S400：所述辅助氮塔的底部得到富氧液空二，富氧液空二经主换热器过冷后进入所述辅助氮塔冷凝器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的富氧液空二经主换热器复热后去膨胀机膨胀制冷，膨胀后的富氧液空二经主换热器复热至常温后分为两部分送出冷箱，一部分去水冷塔冷却循环水，另一部分作为再生气去电加热器加热后，作为再生气对吸附器分子筛再生；
S500：所述辅助氮塔顶部得到低压氮气，低压氮气全部进入所述辅助氮塔冷凝器作为热源，被液化后分为三部分，一部分回流所述辅助氮塔；一部分经液氮泵增压后进入所述主氮塔上部，作为回流液；另一部分经过冷器过冷后供用户。
在本实施例中，所述步骤S200中，所述富氧液空一经主换热器过冷后分为两部分，一部分直接进入所述主氮塔冷凝器作为冷源；另一部分节流后进入辅助氮塔下部参与精馏。
在本实施例中，所述压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机增压端进一步增压，以提高氮气压力。
在本实施例中，所述步骤S300中，还包括抽取所述主氮塔主冷凝蒸发器中液化产生的压力液氮作为液氮产品；
和/或，所述步骤S500中，还包括抽取所述辅助氮塔冷凝器中液化产生的低压液氮作为液氮产品。
在本实施例中，所述步骤S400中，所述富氧液空二经主换热器过冷后进入所述辅助氮塔冷凝器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的富氧液空二经主换热器复热后去膨胀机膨胀制冷。
在本实施例中，所述步骤S500中，所述低压液氮经泵增压后进入所述主氮塔上部，作为主氮塔回流液。
为能进一步了解本发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
空气过滤器100的出口与原料空压机200的进口连接，原料空压机200的出口与空气冷却塔400的空气进口连接，空气冷却塔400的空气出口与吸附器700的进口连接，吸附器700的出口与主换热器1000的热流股入口连接，主换热器1000的热流股出口与主氮塔1100的底部空气入口连接。
主氮塔1100底部液空1与主换热器1000热流股入口连接，主换热器1000热流股出口分别与主氮塔冷凝器1110、辅助氮塔1200相连；主氮塔冷凝器1110出口与辅助氮塔1200相连；主氮塔1100氮气与主换热器1000冷流股入口相连，主换热器1000冷流股出口与增压透平膨胀机1500增压端进口连接，增压透平膨胀机1500增压端出口氮气去用户。
辅助氮塔1200底部液空2与主换热器1000热流股进口连接，主换热器1000热流股出口与辅助氮塔冷凝器1210相连，辅助氮塔冷凝器1210富氧液空二的出口与主换热器1000冷流股入口连接，主换热器1000冷流股出口与增压透平膨胀机1500膨胀端入口连接，增压透平膨胀机1500膨胀端的出口与主换热器1000冷流股入口相连，主换热器1000冷流股出口与吸附器再生加热器800连接，吸附器700再生后气体放空。辅助氮塔1200液氮分别与工艺液氮泵1400入口、过冷器1300热流股相连，工艺液氮泵1400出口与主氮塔1100相连，过冷器1300热流股出口分为两股，一股与过冷器1300冷流股入口相连，过冷器1300冷流股出口与增压透平膨胀机1500膨胀端出口连接，另一股液氮去用户。
上述工艺方案工作原理为：
S1、原料空气依次通过空气过滤器100、原料空压机200、空气冷却塔400、吸附器700，获得压力为800kPa.A、温度为15.5℃、流量为50500Nm3/h的纯化空气，然后进入主换热器1000，与返流的产品氮气和富氧空气进行换热；空气被冷却到饱和温度-168.8℃后，进入主氮塔1100底部参与精馏。
S2、主氮塔1100底部液空1经主换热器1000过冷得到-171.5℃、780kPa.A、22800Nm3/h的过冷液空，其中5000 Nm3/h的富氧液空一经节流后去辅助氮塔1200参与精馏，其余部分作为主氮塔冷凝器1110的冷源，主氮塔冷凝器1110获得的富氧液空一与富氧液空经节流后全部进入辅助氮塔1200参与精馏；在主氮塔1100上部获得30500Nm3/h、-173℃、785kPa.A氮气，经主换热器1000复热至13℃后，去膨胀机1500增压端，增压至815kPa.A去用户。
S3、辅助氮塔1200底部液空2经主换热器1000过冷得到-177.2℃、440kPa.A、19300Nm3/h的过冷液空，全部作为辅助氮塔冷凝器1210的冷源，被蒸发的富氧液空二经主换热器1000复热至-152℃、165kPa.A、19200Nm3/h，进入膨胀机1500膨胀至100kPa.A，膨胀后富氧空气与过冷器1300复热的氮气汇合进入主换热器1000，复热至13.1℃后供吸附器700及水冷塔500冷却循环水。辅助氮塔1200上部低压液氮-180.5℃、448kPa.A、9600Nm3/h，其中220Nm3/h液氮经过冷器1300过冷至-191℃供用户，其余液氮经工艺液氮泵1400增压后进入主氮塔1100上部作为回流液。
尽管上面结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统，其特征在于：采用全低压分子筛吸附预净化、返流膨胀机制冷、双填料氮塔落地布置的工艺组织，包括空气过滤压缩系统、预冷纯化系统、主换热器、过冷器、主氮塔、主氮塔冷凝器、辅助氮塔、辅助氮塔冷凝器和工艺液氮泵；
主氮塔、辅助氮塔冷凝器分别与塔器复合安装；主氮塔底部富氧液空管线依次与主换热器及主氮塔冷凝器、辅助氮塔相连，主氮塔冷凝器液空管线与辅助氮塔相连，辅助氮塔底部液空依次与主换热器、辅助氮塔冷凝器相连；
主氮塔氮气管线依次与主换热器、膨胀机相连，主冷凝器蒸发的富氧空气与辅助氮塔相连；
辅助氮塔冷凝器富氧空气依次与主换热器、膨胀机、主换热器、纯化系统相连，回流液氮分别与过冷器、工艺液氮泵及主氮塔相连；
富氧液空一经主换热器过冷后分为两部分，一部分进入所述主氮塔冷凝器作为冷源；另一部分经节流后进入辅助氮塔下部参与精馏；
主氮塔上部压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机进一步增压后送用户。
2.根据权利要求1所述的一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮系统，其特征在于：通过阀门控制隔断双精馏塔连接流路，单精馏塔、双精馏塔切换运行。
3.根据权利要求2所述的一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮方法，其特征在于：包括如下步骤：
S100：经过滤压缩、预冷纯化后的纯化空气经主换热器冷却，进入主氮塔底部进行精馏；
S200：在所述主氮塔的底部获得富氧液空一，富氧液空一经主换热器过冷后分成两部分，一部分节流后进入所述辅助氮塔下部参与精馏；一部分进入所述主氮塔冷凝器作为冷源，部分被蒸发后的富氧液空一进入辅助氮塔底部参与精馏，浓缩富氧液空一节流后进入辅助氮塔下部参与精馏；
S300：在所述主氮塔的顶部获得压力氮气，压力氮气分为两部分，一部分进入主氮塔冷凝器作为热源，被液化后回流所述主氮塔，一部分压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机增压端增压后供用户；
S400：所述辅助氮塔的底部得到富氧液空二，富氧液空二经主换热器过冷后进入所述辅助氮塔冷凝器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的富氧液空二经主换热器复热后去膨胀机膨胀制冷，膨胀后的富氧液空二经主换热器复热至常温后分为两部分送出冷箱，一部分去水冷塔冷却循环水，另一部分作为再生气去电加热器加热后，作为再生气对吸附器分子筛再生；
S500：所述辅助氮塔顶部得到低压氮气，低压氮气全部进入所述辅助氮塔冷凝器作为热源，被液化后分为三部分，一部分回流所述辅助氮塔；一部分经液氮泵增压后进入所述主氮塔上部，作为回流液；另一部分经过冷器过冷后供用户；
所述步骤S200中，所述富氧液空一经主换热器过冷后分为两部分，一部分直接进入所述主氮塔冷凝器作为冷源；另一部分节流后进入辅助氮塔下部参与精馏；
所述压力氮气通过主换热器复热后，经膨胀机增压端进一步增压，以提高氮气压力。
4.根据权利要求3所述的一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮方法，其特征在于：所述步骤S300中，还包括抽取所述主氮塔主冷凝蒸发器中液化产生的压力液氮作为液氮产品；
和/或，所述步骤S500中，还包括抽取所述辅助氮塔冷凝器中液化产生的低压液氮作为液氮产品。
5.根据权利要求4所述的一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮方法，其特征在于：所述步骤S400中，所述富氧液空二经主换热器过冷后进入所述辅助氮塔冷凝器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的富氧液空二经主换热器复热后去膨胀机膨胀制冷。
6.根据权利要求5所述的一种液空过冷返流膨胀双塔提产制氮方法，其特征在于：所述步骤S500中，所述低压液氮经泵增压后进入所述主氮塔上部，作为主氮塔回流液。
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