CN119665589A - 液氮增产系统及空分装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及深冷空分设备技术领域，尤其是涉及一种液氮增产系统及空分装置。液氮增产系统包括液空返流换热器；液空返流换热器中，其蒸发侧通道的入口连通至原空分装置的主换热器的液空通道的出口，其冷凝侧通道的入口经氮气压缩机连通至主换热器的氮气通道的出口，使来自原空分装置的氮气和液空在液空返流换热器处进行换热，以通过液空释放冷量将氮气冷凝为液氮。从而达到液氮增产的目的；并且本申请便于对原有的空分装置进行改造，改造工期短、投资低；并且原空分装置液氧冷量充足时，原空分装置的所有氮气产品可全部转换为液氮；并且本申请系统与原空分装置相对独立，可选择是否投运，停运后不影响原装置的运行。

Description

液氮增产系统及空分装置

技术领域

本申请涉及深冷空分设备技术领域，尤其是涉及一种液氮增产系统及空分装置。

背景技术

空气分离，简称空分，是以空气为原料，将空气中的各组分进行分离，得到所需组分(比如氧、氮、氩等)的一种过程，实现这种过程的装置则称之为空分装置。常说的空分，一般是指采用深度冷冻法进行空气分离，这也是目前应用最广泛的空气分离方法。

在以生产液体为主的空分中，常用的液体空分流程主要分为空气循环和氮气循环两种工艺，当所需产品的氮氧比相对较大时，选用氮气循环工艺能耗较低；氮氧比相当或者较小时，选用空气循环工艺能耗较低。

由于建设时，市场氮氧需要的原因，某些已投产的空分在建设时采用了空气循环工艺；近年来，随着新材料、新能源以及电子半导体等行业的飞速发展，市场对于高纯氮的需求越来越多，液氮的销售价格也显著高于液氧，在这种市场背景下，已投产的空气循环工艺空分装置的经济效益就明显下降，需要尽量加大液氮产量来提高效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液氮增产系统及空分装置，以能够在一定程度上提高采用空气循环工艺的空分装置的液氮产量。

本发明提供了一种液氮增产系统，用于空分装置的液氮增产；所述液氮增产系统包括液空返流换热器和氮气压缩机；

所述液空返流换热器包括可供流体流通并相互换热的冷凝侧通道和蒸发侧通道，所述空分装置的主换热器包括液空通道和氮气通道，所述蒸发侧通道的入口连通至所述液空通道的出口，所述冷凝侧通道的入口通过所述氮气压缩机连通至所述氮气通道的出口相连通；

来自所述氮气通道并经所述氮气压缩机压缩后的氮气与来自所述液空通道的液空进行换热，使所述液空汽化，且所述氮气冷凝为液氮。

进一步地，所述蒸发侧通道的入口管线上设有第一节流阀。

进一步地，所述空分装置的原料预处理单元包括纯化系统，所述蒸发侧通道的出口连通至所述纯化系统的出口管线。

进一步地，所述液氮增产系统还包括液氮过冷器，所述液氮过冷器包括可供流体流通并相互换热的第一通道和第二通道，且所述第二通道内的流体能够对所述第一通道内的流体释放冷量；

所述第一通道的入口与所述冷凝侧通道的出口相连通，使所述冷凝侧通道流出的液氮流入所述第一通道进行过冷，所述第一通道的出口连通有液氮输出管线，所述液氮输出管线用于与存放液氮产品的液氮贮槽相连通，且所述液氮输出管线上设有第二节流阀。

进一步地，所述第一通道的出口还连通有液氮支路管线，所述液氮支路管线与所述第二通道的入口相连通，所述液氮支路管线上设有第三节流阀。

进一步地，所述第二通道的出口与所述主换热器的氮气通道的入口相连通。

进一步地，连通所述冷凝侧通道与所述第一通道的管线上设有第一气液分离罐；

所述冷凝侧通道的出口经第四节流阀与所述第一气液分离罐的入口相连通，所述第一气液分离罐的液相出口与所述第一通道的入口相连通；

所述第一气液分离罐的气相出口与所述空分装置的下塔的出下塔氮气管线相连通。

进一步地，所述空分装置的上塔的塔顶设有用于对液氮进行气液分离的第二气液分离罐；

所述冷凝侧通道的出口经第五节流阀与所述第二气液分离罐的入口相连通。

进一步地，所述液空通道的出口设有第三气液分离罐，以对来自所述液空通道的液空进行气液分离，且所述第三气液分离罐去往所述空分装置的主塔的液相出口管线和气相出口管线上均设有控制阀；

所述液空返流换热器的蒸发侧通道的入口与所述第三气液分离罐的液相出口相连通。

本发明还提供了一种空分装置，包括上述任一项所述的液氮增产系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的液氮增产系统包括液空返流换热器和氮气压缩机，液空返流换热器包括可供流体流通并相互换热的冷凝侧通道和蒸发侧通道，蒸发侧通道的入口连通至原空分装置的主换热器的液空通道的出口，同时冷凝侧通道的入口经氮气压缩机连通至原空分装置的主换热器的氮气通道的出口，使来自原空分装置的氮气和液空在液空返流换热器处进行换热，以通过液空释放冷量将氮气冷凝为液氮。

因此，通过本申请的液氮增产系统能够利用原空分装置的液空作为转换冷源的中间载体，将原空分装置的产品氮气转换为液氮，从而达到液氮增产的目的；同时，本申请的液氮增产系统结构简单，便于对原有的空分装置进行改造，且改造对原有空分装置影响小，改造工期短，改造投资低；同时，在原有空分装置液氧冷量充足的情况下，可将原有空分装置的所有氮气产品全部转换为液氮；同时，本申请的液氮增产系统与原有空分装置相对独立，可根据市场行情选择是否投运，停运后对原装置的正常运行不造成任何影响。

本发明还提供了一种空分装置，包括所述的液氮增产系统，因而所述空分装置也具有液氮增产系统的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的增设有第一示例的液氮增产系统的空分装置的流程示意图；

图2为本发明提供的增设有第二示例的液氮增产系统的空分装置的流程示意图；

图3为本发明提供的增设有第三示例的液氮增产系统的空分装置的流程示意图；

图4为本方明提供的增设有第四示例的液氮增产系统的空分装置的流程示意图。

附图标记：

1-液氮增产系统，11-液空返流换热器，12-氮气压缩机，13-液氮过冷器，14-第一节流阀，15-第二节流阀，16-第三节流阀，17-第一气液分离罐，18-第四节流阀，19-第五节流阀；

2-原空分装置，21-主换热器，22-液空通道，23-氮气通道，24-主塔，25-下塔，26-上塔，27-主冷凝蒸发器，28-出下塔氮气管线，29-第二气液分离罐，210-第三气液分离罐，211-控制阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参照图1至图4描述根据本申请一些实施例所述的液氮增产系统及空分装置。

本申请第一方面提供了一种液氮增产系统1，可应用于采用空气循环工艺的空分装置中，以提高液氮产量。

首先，参照图1描述增设有第一示例的液氮增产系统的空分装置。

原空分装置2包括主塔24和主换热器21，主塔24(包括上塔26、下塔25和主冷凝蒸发器27)是以空气和液化空气(简称液空)为原料进行精馏，以分离得到空气中的各组分；主换热器21主要是回收出塔气体的冷量，并降低进塔气体的温度，比如主换热器21包括供出塔氮气流通的氮气通道23，以回收出塔氮气的冷量，同时主换热器21还包括供进塔空气流通的液空通道22，使进塔空气被冷凝为液空。

液氮增产系统1包括液空返流换热器11、氮气压缩机12和液氮过冷器13。

液空返流换热器11包括可供流体流通并相互换热的冷凝侧通道和蒸发侧通道，蒸发侧通道的入口连通至上述液空通道22的出口，同时冷凝侧通道的入口经氮气压缩机12连通至上述氮气通道23的出口，以从液空通道22的出口抽取液空送往液空返流换热器11的蒸发侧通道，同时从氮气通道23的出口抽取氮气并经氮气压缩机12加压后送往液空返流换热器11的冷凝侧通道，从而使液空与氮气在液空返流换热器11处换热，以利用液空释放冷量，将氮气冷凝为液氮。

因此，通过本申请的液氮增产系统1能够利用原空分装置2的液空作为转换冷源的中间载体，将原空分装置2的产品氮气转换为液氮，从而达到液氮增产的目的；同时，本申请的液氮增产系统1结构简单，便于对原有的空分装置进行改造，且改造对原有空分装置影响小，改造工期短，改造投资低；同时，在原有空分装置液氧冷量充足的情况下，可将原有空分装置的所有氮气产品全部转换为液氮；同时，本申请的液氮增产系统1与原有空分装置相对独立，可根据市场行情选择是否投运，停运后对原装置的正常运行不造成任何影响。

在该实施例中，优选地，对于液空返流换热器11，其蒸发侧通道的入口管线上第一节流阀14，使来自主换热器21液空通道22的带有一定压力的液空经第一节流阀14节流降压后流入蒸发侧通道；液空在液空返流换热器11处释放冷量后被汽化复热为气相的空气，并返流回原空分装置2。

具体地，原空分装置2在主换热器21的上游设有原料预处理单元，以用于对送入下游的主换热器21以及主塔24的压缩空气进行预处理；原料预处理单元包括沿压缩空气的气流流向依次设置的空压机、预冷系统、纯化系统、空气增压机和膨胀制冷系统。

液空返流换热器11的蒸发侧通道的出口连通至纯化系统的出口管线，使液空汽化后形成的空气返流至纯化系统的出口，与纯化系统出口处的空气合流后流向后续的空气增压机。

因此，本申请的液氮增产系统1从原空分装置2抽取的液空在释放冷量后可再次作为原空分装置2的原料气循环利用，一方面可减少原空分装置2来自纯化系统即原料预处理单元的进气量，以能够降低原空分装置2中原料预处理单元的空压机、预冷系统和纯化系统的能耗，使装置整体能耗降低，提高改造后的经济效益；另一方面，可以加大原空分装置2中主塔24的下塔25的上升气量，对下塔25产氮有利，可充分利用下塔25设计操作上限的弹性能力，尽可能多地生产氮产品，以进一步提高经济效益。

在该实施例中，优选地，液空返流换热器11的下游设有液氮过冷器13，液氮过冷器13包括可供流体流通并相互换热的第一通道和第二通道，第一通道的入口与液空返流换热器11的冷凝侧通道的出口相连通，使氮气经液空返流换热器11后冷凝形成的液氮能够流入第一通道，以与第二通道内的流体进行换热，其中第二通道内的流体能够释放冷量，以对流经第一通道的流体即液氮进行过冷。

第一通道的出口连通有液氮输出管线，液氮输出管线用于与存储液氮产品的液氮贮槽相连通，且液氮输出管线上设有第二节流阀15。由于液氮贮槽是常压的，而第一通道流出的液氮是由氮气压缩机12加压后的氮气冷凝所得到的带压的液氮，通过第二节流阀15能够将带压的液氮节流降压后送往液氮贮槽进行存储；同时，利用液氮过冷器13对液氮进行过冷，能够避免液氮经第二节流阀15节流降压后发生汽化而造成液氮损失。

在该实施例中，优选地，第一通道的出口处还连通有液氮支路管线，即液氮支路管线与液氮输出管线并联于第一通道的出口，使第一通道流出的液氮能够部分流入液氮输出管线，另一部分流入液氮支路管线。

液氮支路管线与第二通道的入口相连通，且液氮支路管线上设有第三节流阀16，从而利用第三节流阀16将液氮节流，使流经液氮支路管线的液氮降压、降温后流入第二通道作为过冷冷源，以对第一通道内流经的液氮进行过冷。

进一步优选地，第二通道的出口与主换热器21的氮气通道23的入口相连通，第二通道内的液氮释放冷量后能够被气化复热为气相的氮气，这部分氮气能够被送回主换热器21的氮气通道23，以避免出现氮损失。

表1

表1以现有的某空分装置为例，示出了空分装置改造前后的经济效益对比。

原空分装置在改造前以最大液氮工况运行的情况下，液氧产量为120吨/天，液氮产量为270吨/天。改造后，即增设了示例一的液氮增产系统后，原空分装置的液氧产量降低至61.7吨/天，液氮产品稍降低至210吨/天，但液氮增产系统产出的液氮量为117吨/天，经计算，液氮增产提高的销售收入为340.9万元/年；同时，原空分装置的功率降低-420KW，液氮增产系统增加的功率为560KW，经计算电力费用增加82.32万元/年，综上，改造后装置整体增加收入为258.58万元/年。

参照图2描述增设有第二示例的液氮增产系统的空分装置。

第二示例的液氮增产系统1与第一示例的液氮增产系统1基本相同，区别在于，第二示例的增产系统在液空返流换热器11的冷凝侧通道与液氮过冷器13的第一通道之间设置了第一气液分离罐17，冷凝侧通道的出口通过第一气液分离罐17与第一通道的入口相连通，使来自冷凝侧通道出口的液氮先进入第一气液分离罐17进行气液分离，然后再进入第一通道进行过冷。

具体地，第一气液分离罐17的罐体上设有入口、液相出口和气相出口，第一气液分离罐17的入口经第四节流阀18与冷凝侧通道的出口相连通，使冷凝侧通道形成的液氮经第四节流阀18节流降压后流入第一气液分离罐17进行气液分离，并通过第四节流阀18使第一气液分离罐17的压力与下塔25顶部的压力相同。

原空分装置2中的主塔24包括上塔26、下塔25和主冷凝蒸发器27，下塔25的顶部设有出下塔氮气管线28，且出下塔氮气管线28与主冷凝蒸发器27相连通，使下塔25顶部生成的氮气能够通过出下塔氮气管线28进入主冷凝蒸发器27与来自上塔26顶部的液氧进行热交换。第一气液分离罐17的气相出口与出下塔氮气管线28相连通，液相出口与第一通道的入口相连通，使第一气液分离罐17底部的液氮能够经由液相出口流入第一通道进行过冷，同时第一气液分离罐17顶部生成的氮气能够经由气相出口汇入下塔25顶部的出下塔氮气管线28中。

这样设置，由于部分液氮在第一气液分离罐17处转换为氮气回流到主塔24，使得进入液氮过冷器13中的液氮量降低，从而能够在一定程度上减少提供过冷冷源的液氮的汽化量，进而也能够在一定程度上降低氮气压缩机12的压缩功；并且在第一气液分离罐17处气化形成的氮气是送入原空分装置2，能够避免出现氮损失。

参照图3描述增设有第三示例的液氮增产系统的空分装置。

第三示例的液氮增产系统1与第一示例的液氮增产系统1基本相同，区别在于，第三示例的液氮增产系统1中，对于在上塔26的顶部设有气液分离罐(记为第二气液分离罐29)的原空分装置2，在液空返流换热器11的下游不设置液氮过冷器13及其附属管线，而是将冷凝侧通道形成的液氮送入第二气液分离罐29。

具体地，第二气液分离罐29的罐体上也设有入口、液相出口和气相出口，下塔25顶部的氮气经主冷凝蒸发器27后被冷凝为液氮，其中部分液氮经原空分装置2的过冷器后由第二气液分离罐29的入口送入第二气液分离罐29进行气液分离，分离出来的气相(即氮气)经气相出口送入上塔26，液相(即液氮)经液相出口排出后一部分送入上塔26，另一部分送入存储液氮产品的液氮贮槽。

在第三示例中，液空返流换热器11的冷凝侧通道的出口通过第五节流阀19与第二气液分离罐29的入口相连通，使冷凝侧通道形成的液氮经第五节流阀19节流降压后送入原空分装置2的第二气液分离罐29，以在原空分装置2的第二气液分离罐29的底部得到增产的液氮。

由于原空分装置2的第二气液分离罐29处的液氮温度更低，从而在送入液氮贮槽时，能够有效降低液氮在输送过程中的汽化损失；同时，第三示例的液氮增产系统1，相较于第一示例省去了液氮过冷器13，相较于第二示例还省去了第一气液分离罐17，从而能够有效降低所需占用的空间以及改造所需成本。

参照图4描述增设有第四示例的液氮增产系统的空分装置。

第三示例的液氮增产系统1与第一示例的液氮增产系统1的区别在于，液空返流换热器11在原空分装置2上的液口抽取点的位置不同。

第一示例中，原空分装置2的液口抽取点直接设置于主换热器21的液空通道22的出口；而在第三示例中，液口抽取点则设置于液空通道22下游的气液分离罐(记为第三气液分离罐210)的液相出口或液相出口管线上。

具体地，原空分装置2包括用于对液空进行气液分离的第三气液分离罐210，第三气液分离罐210也包括入口、液相出口和气相出口，第三气液分离罐210的入口通过节流阀与主换热器21的液空通道22的出口相连通，通过液相出口排出的液相(即液空)送往主塔24(一部分送入下塔25，一部分送入主塔24)；通过气相出口排出的气相(即空气)一部分经主换热器21后汇入纯化系统的出口管线，另一部分送入主塔24(具体是送入下塔25)。

在第三示例中，液空抽取点设于第三气液分离罐210的液相出口，即液空返流换热器11的蒸发侧通道的入口与第三气液分离罐210的液相出口相连通，使来自主换热器21液空通道22的液空经第三气液分离罐210进行气液分离后再流向液空返流换热器11额液空通道22。

同时，由于液空返流循环存在压力损失，需要使第三气液分离罐210的工作压力高于下塔25的压力，因此在第三气液分离罐210的原去往主塔24的气相出口管线和液相出口管线上均设置控制阀211，以抬高第三气液分离罐210的工作压力。此时，液空进入液空返流换热器11的蒸发侧通道时无需节流，且进入蒸发侧通道的液空为全液相，从而使液空在液空返流换热器11处与氮气换热生产液氮的效率更高。

本申请第二方面提供了一种空分装置，包括上述任一实施例的液氮增产系统。

在该实施例中，空分装置包括液氮增产系统，因此空分装置具有液氮增产系统1的全部有益效果，在此不再一一赘述。

需要说明的时，空分装置可以是在原空分装置2基础上改造增设液氮增产系统1，也可以是在建设空分装置时使空分装置具有液氮增产系统1，这样在生产时，可根据市场行情选择液氮增产系统1是否投运。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种液氮增产系统，用于空分装置的液氮增产；其特征在于，所述液氮增产系统包括液空返流换热器和氮气压缩机；

所述液空返流换热器包括可供流体流通并相互换热的冷凝侧通道和蒸发侧通道，所述空分装置的主换热器包括液空通道和氮气通道，所述蒸发侧通道的入口连通至所述液空通道的出口，所述冷凝侧通道的入口通过所述氮气压缩机连通至所述氮气通道的出口相连通；

来自所述氮气通道并经所述氮气压缩机压缩后的氮气与来自所述液空通道的液空进行换热，使所述液空汽化，且所述氮气冷凝为液氮。

2.根据权利要求1所述的液氮增产系统，其特征在于，所述蒸发侧通道的入口管线上设有第一节流阀。

3.根据权利要求1所述的液氮增产系统，其特征在于，所述空分装置的原料预处理单元包括纯化系统，所述蒸发侧通道的出口连通至所述纯化系统的出口管线。

4.根据权利要求1所述的液氮增产系统，其特征在于，所述液氮增产系统还包括液氮过冷器，所述液氮过冷器包括可供流体流通并相互换热的第一通道和第二通道，且所述第二通道内的流体能够对所述第一通道内的流体释放冷量；

所述第一通道的入口与所述冷凝侧通道的出口相连通，使所述冷凝侧通道流出的液氮流入所述第一通道进行过冷，所述第一通道的出口连通有液氮输出管线，所述液氮输出管线用于与存放液氮产品的液氮贮槽相连通，且所述液氮输出管线上设有第二节流阀。

5.根据权利要求4所述的液氮增产系统，其特征在于，所述第一通道的出口还连通有液氮支路管线，所述液氮支路管线与所述第二通道的入口相连通，所述液氮支路管线上设有第三节流阀。

6.根据权利要求5所述的液氮增产系统，其特征在于，所述第二通道的出口与所述主换热器的氮气通道的入口相连通。

7.根据权利要求4所述的液氮增产系统，其特征在于，连通所述冷凝侧通道与所述第一通道的管线上设有第一气液分离罐；

所述冷凝侧通道的出口经第四节流阀与所述第一气液分离罐的入口相连通，所述第一气液分离罐的液相出口与所述第一通道的入口相连通；

所述第一气液分离罐的气相出口与所述空分装置的下塔的出下塔氮气管线相连通。

8.根据权利要求1所述的液氮增产系统，其特征在于，所述空分装置的上塔的塔顶设有用于对液氮进行气液分离的第二气液分离罐；

所述冷凝侧通道的出口经第五节流阀与所述第二气液分离罐的入口相连通。

9.根据权利要求1所述的液氮增产系统，其特征在于，所述液空通道的出口设有第三气液分离罐，以对来自所述液空通道的液空进行气液分离，且所述第三气液分离罐去往所述空分装置的主塔的液相出口管线和气相出口管线上均设有控制阀；

所述液空返流换热器的蒸发侧通道的入口与所述第三气液分离罐的液相出口相连通。

10.一种空分装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的液氮增产系统。