专利名称：交替生产氮气和液氮的空气分离装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及空气分离领域，具体涉及一种生产氮气和液氮的空气分离装置， 特别涉及一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置。
背景技术：
空气分离，简称空分，利用空气中各组分物理性质不同，采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氦气、氩气等稀有气体的过程。空气分离设备就是将空气液化、精馏、最终分离成为氧、氮和其他有用气体的气体分离设备，简称空分装置。空气曾被称为“永久气体”到19世纪末，人们发现在深低温下空气也能液化，并因氧、氮沸点不同，可以从液化空气中分离出氧气和氮气。第一台商品化的制氧机于1903年制成，它最初只是用于金属的气焊和切割。30年代末，氮肥工业需要氮气，制氧机发展到能同时生产氧气和氮气，改称空气分离设备。纯氮气是石油化工，合成纤维，合成氨，浮法玻璃，扎钢，半导体工业和油田注氮等不可缺少的原料气和保护气。70年代末国内第一个只生产氮气的空气分离设备诞生，称之为高纯氮空气分离装置，即高纯氮空分装置是指专门制取纯氮气的空分设备。近几年随着我国化工、电子行业的迅猛发展，用户对高纯氮空气分离装置变工况运行要求越来越复杂，尤其是对液氮产品的需求更大，而常规高纯氮空分装置在生产氮气产品的同时只能生产或不产少量液氮产品。若增大液氮量的制取，势必减少氮气产量；制取最大液氮量，氮气产量为零，换热器氮侧通道无气体通过，换热器换热效率将急剧下降，严重影响换热效果，工况无法实现，因此不能满足不同行业对高纯氮空分装置生产大液体工况的需求。
发明内容针对现有技术的不足，本实用新型提供一种结构合理、可交替生产氮气和液氮产品的交替生产氮气和液氮的空气分离装置。本实用新型的技术方案是这样实现一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置，包括空气过滤器、与空气过滤器相连通的空气压缩机、与空气压缩机相连通的预冷系统、与预冷系统相连通的纯化系统、以及设置在单独冷箱内的包括主换热器、液化器、过冷器、单级精馏塔、主冷凝蒸发器、膨胀机的分馏塔系统，所述的纯化系统通过原料空气管道 100与主换热器的换热通道Al和A2相连通，A2与液化器的换热通道A3和A4相连通，A4 与单级精馏塔底部相连通，在单级精馏塔上方设置有主冷凝蒸发器，主冷凝蒸发器通过液氮管道分别与产品液氮管道101和单级精馏塔相连通，单级精馏塔与第三氮气管道105和设置有第一阀门的第一氮气管道102相连通，第三氮气管道105与主冷凝蒸发器相连通，第一氮气管道102与第四氮气管道110相连通，第四氮气管道110与液化器的换热通道m和 N2相连通，N2与主换热器的换热通道N3和N4相连通，N4与第二氮气管道103相连通；在单级精馏塔底部设置有富氧液空管道106，富氧液空管道106穿过过冷器并经节流阀与主冷凝蒸发器相连通，在主冷凝蒸发器顶部设置有第二污氮气管道107，第二污氮气管道107与过冷器的换热通道WNl和WN2相连通，WN2与液化器的换热通道WN3和WN4相连通，WN4与膨胀机膨胀端相连通，膨胀机膨胀端通过管道分别与设置有第二阀门的第三污氮气管道108和第四污氮气管道109相连通，第三污氮气管道108与第四氮气管道110相连通，第四污氮气管道109与过冷器的换热通道WN5和WN6相连通，WN6与液化器的换热通道WN7和WN8相连通，WN8与换热器的换热通道WN9和WNlO相连通，WNlO与第一污氮气管道104相连通，第一污氮气管道104与设置有污氮气放空管道111的纯化系统相连通。所述的第一污氮气管道104通过管道与膨胀机风机端和污氮气放空管道111相连
ο所述的空气压缩机的工作压力为0. 4MPa至1. OMPa0所述的第二氮气管道103出冷箱的氮气压力为0. 3MPa至0. 9MPa。所述的产品液氮管道101出冷箱的液氮压力为0. 3MPa至0. 9MPa。本实用新型具有如下的积极效果本实用新型利用了返流废气膨胀高纯氮流程， 将液化器进口端污氮管路和氮气管路连通并加装阀门，使换热器氮气和污氮气管道可切换，实现了高纯氮空气分离装置可交替生产氮气和液氮产品，满足了不同行业对高纯氮空分装置多工况运行及生产大液体工况的需求。因此本实用新型如能推广应用，必将获得极大的社会效益。
图1为本实用新型系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置，包括空气过滤器1、与空气过滤器1相连通的空气压缩机2、与空气压缩机2相连通的预冷系统15、与预冷系统15 相连通的纯化系统16、以及设置在单独冷箱3内的包括主换热器4、液化器5、过冷器8、单级精馏塔6、主冷凝蒸发器7、膨胀机的分馏塔系统，所述的纯化系统15通过原料空气管道 100与主换热器4的换热通道Al和A2相连通，A2与液化器5的换热通道A3和A4相连通， A4与单级精馏塔6底部相连通，在单级精馏塔6上方设置有主冷凝蒸发器7，主冷凝蒸发器 7通过液氮管道分别与产品液氮管道101和单级精馏塔6相连通，单级精馏塔6与第三氮气管道105和设置有第一阀门12的第一氮气管道102相连通，第三氮气管道105与主冷凝蒸发器7相连通，第一氮气管道102与第四氮气管道110相连通，第四氮气管道110与液化器5的换热通道附和N2相连通，N2与主换热器4的换热通道N3和N4相连通，N4与第二氮气管道103相连通；在单级精馏塔6底部设置有富氧液空管道106，富氧液空管道106 穿过过冷器8并经节流阀14与主冷凝蒸发器7相连通，在主冷凝蒸发器7顶部设置有第二污氮气管道107，第二污氮气管道107与过冷器8的换热通道WNl和WN2相连通，WN2与液化器5的换热通道WN3和WN4相连通，WN4与膨胀机膨胀端10相连通，膨胀机膨胀端10通过管道分别与设置有第二阀门13的第三污氮气管道108和第四污氮气管道109相连通，第三污氮气管道108与第四氮气管道110相连通，第四污氮气管道109与过冷器8的换热通道WN5和WN6相连通，WN6与液化器5的换热通道WN7和WN8相连通，WN8与换热器4的换热通道WN9和WNlO相连通，WNlO与第一污氮气管道104相连通，第一污氮气管道104与设置有污氮气放空管道111的纯化系统相连通。所述的第一污氮气管道104通过管道与膨胀机风机端9和污氮气放空管道111相连通。所述的空气压缩机2的工作压力为0. 4ΜΙ^至1. OMPa0所述的第二氮气管道103出冷箱的氮气压力为0. 3MPa至0. 9MPa。所述的产品液氮管道101出冷箱的液氮压力为0. 3MPa 至 0. 9MPa。本实用新型利用上述装置交替生产氮气和液氮的空气分离方法如下1)在生产氮气时，首先开启第一阀门12，关闭第二阀门13，原料空气经空气过滤器1去除灰尘和杂质，然后经空气压缩机2压缩后去纯化系统15去除空气中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氢化合物，然后通过原料空气管道100与主换热器4和液化器5换热，被冷却后进入单级精馏塔6底部，作为上升气体参加精馏，原料空气精馏后在单级精馏塔6顶部和底部分别得到得到高纯度的氮气和富氧液空，单级精馏塔6底部的富氧液空通过富氧液空管道106穿过过冷器8并经节流阀14后与主冷凝蒸发器7相连通，作为主冷凝蒸发器 7的蒸发侧富氧液空，单级精馏塔6顶部的氮气一部分通过第三氮气管道105送入主冷凝蒸发器7冷凝，单级精馏塔6顶部的另一部分氮气通过第一氮气管道102，经第四氮气管道 110与液化器5合主换热器4换热后经第二氮气管道103送出冷箱，通过第三氮气管道105 送入主冷凝蒸发器7冷凝的氮气与蒸发侧富氧液空换热后部分产品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到单级精馏塔6重新参加精馏，单级精馏塔6内的蒸发侧富氧液空与氮气换热后蒸发为污氮气，污氮气通过第二污氮气管道107经过冷器8和液化器5换热后进入膨胀机膨胀端10膨胀，膨胀后的气体经过冷器8、液化器5和主换热器4换热后经第一污氮气管道104出冷箱，然后进入纯化系统15。2)在生产液氮时，首先关闭第一阀门12，开启第二阀门13，原料空气经空气过滤器1去除灰尘和杂质，然后经空气压缩机2压缩后去纯化系统15去除空气中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氢化合物，然后通过原料空气管道100与主换热器4和液化器5换热，被冷却后进入单级精馏塔6底部，作为上升气体参加精馏，原料空气精馏后在单级精馏塔6顶部和底部分别得到得到高纯度的氮气和富氧液空，单级精馏塔6底部的富氧液空通过富氧液空管道106穿过过冷器8并经节流阀14后与主冷凝蒸发器7相连通，作为主冷凝蒸发器7 的蒸发侧富氧液空，单级精馏塔6顶部的氮气一部分通过第三氮气管道105送入主冷凝蒸发器7冷凝，冷凝后的氮气与蒸发侧富氧液空换热后部分产品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到单级精馏塔6重新参加精馏，单级精馏塔6内的蒸发侧富氧液空与氮气换热后蒸发为污氮气，污氮气通过第二污氮气管道107经过冷器8和液化器5换热后进入膨胀机膨胀端10膨胀，膨胀后的一部分气体通过第三污氮气管道108后进入第四氮气管道110与液化器5合主换热器4换热后经第二氮气管道103送出冷箱，膨胀后的另一部分气体经过冷器8、液化器5和主换热器4换热后经第一污氮气管道104出冷箱，然后进入纯化系统15。实施例1 如图1所示，一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置，包括空气过滤器1、与空气过滤器1相连通的空气压缩机2、与空气压缩机2相连通的预冷系统15、与预冷系统15相连通的纯化系统16、以及设置在单独冷箱3内的包括主换热器4、液化器5、过冷器8、单级精馏塔6、主冷凝蒸发器7、膨胀机的分馏塔系统，所述的纯化系统15通过原料空气管道100与主换热器4的换热通道Al和A2相连通，A2与液化器5的换热通道A3和A4相连通，A4与单级精馏塔6底部相连通，在单级精馏塔6上方设置有主冷凝蒸发器7，主冷凝蒸发器7通过液氮管道分别与产品液氮管道101和单级精馏塔6相连通，单级精馏塔6与第三氮气管道105和设置有第一阀门12的第一氮气管道102相连通，第三氮气管道105与主冷凝蒸发器7相连通，第一氮气管道102与第四氮气管道110相连通，第四氮气管道110 与液化器5的换热通道附和N2相连通，N2与主换热器4的换热通道N3和N4相连通，N4 与第二氮气管道103相连通；在单级精馏塔6底部设置有富氧液空管道106，富氧液空管道 106穿过过冷器8并经节流阀14与主冷凝蒸发器7相连通，在主冷凝蒸发器7顶部设置有第二污氮气管道107，第二污氮气管道107与过冷器8的换热通道WNl和WN2相连通，WN2 与液化器5的换热通道WN3和WN4相连通，WN4与膨胀机膨胀端10相连通，膨胀机膨胀端 10通过管道分别与设置有第二阀门13的第三污氮气管道108和第四污氮气管道109相连通，第三污氮气管道108与第四氮气管道110相连通，第四污氮气管道109与过冷器8的换热通道WN5和WN6相连通，WN6与液化器5的换热通道WN7和WN8相连通，WN8与换热器4 的换热通道WN9和WNlO相连通，WNlO与第一污氮气管道104相连通，第一污氮气管道104 与设置有污氮气放空管道111的纯化系统相连通。所述的第一污氮气管道104通过管道与膨胀机风机端9和污氮气放空管道111相连通。所述的空气压缩机2的工作压力为0. 4MPa 至1. OMPa0所述的第二氮气管道103出冷箱的氮气压力为0. 3MPa至0. 9MPa。所述的产品液氮管道101出冷箱的液氮压力为0. 3MPa至0. 9MPa。本实用新型利用上述装置交替生产氮气和液氮的空气分离方法如下在生产氮气时，首先开启第一阀门12，关闭第二阀门13，原料空气经空气过滤器1去除灰尘和杂质，然后经空气压缩机2压缩后去纯化系统15去除空气中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氢化合物， 然后通过原料空气管道100与主换热器4和液化器5换热，被冷却后进入单级精馏塔6底部，作为上升气体参加精馏，原料空气精馏后在单级精馏塔6顶部和底部分别得到得到高纯度的氮气和富氧液空，单级精馏塔6底部的富氧液空通过富氧液空管道106穿过过冷器8 并经节流阀14后与主冷凝蒸发器7相连通，作为主冷凝蒸发器7的蒸发侧富氧液空，单级精馏塔6顶部的氮气一部分通过第三氮气管道105送入主冷凝蒸发器7冷凝，单级精馏塔6 顶部的另一部分氮气通过第一氮气管道102，经第四氮气管道110与液化器5合主换热器4 换热后经第二氮气管道103送出冷箱，通过第三氮气管道105送入主冷凝蒸发器7冷凝的氮气与蒸发侧富氧液空换热后部分产品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到单级精馏塔 6重新参加精馏，单级精馏塔6内的蒸发侧富氧液空与氮气换热后蒸发为污氮气，污氮气通过第二污氮气管道107经过冷器8和液化器5换热后进入膨胀机膨胀端10膨胀，膨胀后的气体经过冷器8、液化器5和主换热器4换热后经第一污氮气管道104出冷箱，然后进入纯化系统15。实施例2 如图1所示，一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置，包括空气过滤器1、与空气过滤器1相连通的空气压缩机2、与空气压缩机2相连通的预冷系统15、 与预冷系统15相连通的纯化系统16、以及设置在单独冷箱3内的包括主换热器4、液化器 5、过冷器8、单级精馏塔6、主冷凝蒸发器7、膨胀机的分馏塔系统，所述的纯化系统15通过原料空气管道100与主换热器4的换热通道Al和A2相连通，A2与液化器5的换热通道A3 和A4相连通，A4与单级精馏塔6底部相连通，在单级精馏塔6上方设置有主冷凝蒸发器7， 主冷凝蒸发器7通过液氮管道分别与产品液氮管道101和单级精馏塔6相连通，单级精馏塔6与第三氮气管道105和设置有第一阀门12的第一氮气管道102相连通，第三氮气管道 105与主冷凝蒸发器7相连通，第一氮气管道102与第四氮气管道110相连通，第四氮气管道110与液化器5的换热通道m和N2相连通，N2与主换热器4的换热通道N3和N4相连通，N4与第二氮气管道103相连通；在单级精馏塔6底部设置有富氧液空管道106，富氧液空管道106穿过过冷器8并经节流阀14与主冷凝蒸发器7相连通，在主冷凝蒸发器7顶部设置有第二污氮气管道107，第二污氮气管道107与过冷器8的换热通道WNl和WN2相连通，WN2与液化器5的换热通道WN3和WN4相连通，WN4与膨胀机膨胀端10相连通，膨胀机膨胀端10通过管道分别与设置有第二阀门13的第三污氮气管道108和第四污氮气管道 109相连通，第三污氮气管道108与第四氮气管道110相连通，第四污氮气管道109与过冷器8的换热通道WN5和WN6相连通，WN6与液化器5的换热通道WN7和WN8相连通，WN8与换热器4的换热通道WN9和WNlO相连通，WNlO与第一污氮气管道104相连通，第一污氮气管道104与设置有污氮气放空管道111的纯化系统相连通。所述的第一污氮气管道104通过管道与膨胀机风机端9和污氮气放空管道111相连通。所述的空气压缩机2的工作压力为0. 4ΜΙ^至1. OMPa0所述的第二氮气管道103出冷箱的氮气压力为0. 3MPa至0. 9MPa。所述的产品液氮管道101出冷箱的液氮压力为0. 3MPa 至 0. 9MPa。本实用新型利用上述装置交替生产氮气和液氮的空气分离方法如下在生产液氮时，首先关闭第一阀门12，开启第二阀门13，原料空气经空气过滤器1去除灰尘和杂质，然后经空气压缩机2压缩后去纯化系统15去除空气中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氢化合物， 然后通过原料空气管道100与主换热器4和液化器5换热，被冷却后进入单级精馏塔6底部，作为上升气体参加精馏，原料空气精馏后在单级精馏塔6顶部和底部分别得到得到高纯度的氮气和富氧液空，单级精馏塔6底部的富氧液空通过富氧液空管道106穿过过冷器 8并经节流阀14后与主冷凝蒸发器7相连通，作为主冷凝蒸发器7的蒸发侧富氧液空，单级精馏塔6顶部的氮气一部分通过第三氮气管道105送入主冷凝蒸发器7冷凝，冷凝后的氮气与蒸发侧富氧液空换热后部分产品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到单级精馏塔 6重新参加精馏，单级精馏塔6内的蒸发侧富氧液空与氮气换热后蒸发为污氮气，污氮气通过第二污氮气管道107经过冷器8和液化器5换热后进入膨胀机膨胀端10膨胀，膨胀后的一部分气体通过第三污氮气管道108后进入第四氮气管道110与液化器5合主换热器4换热后经第二氮气管道103送出冷箱，膨胀后的另一部分气体经过冷器8、液化器5和主换热器4换热后经第一污氮气管道104出冷箱，然后进入纯化系统15。实施例3:如图1所示，所述的第一阀门12，第二阀门13可以是手动阀，也可以是电磁阀。常规高纯氮空分装置在生产氮气产品的同时只能生产少量液氮产品，或不产液氮产品。若增大液氮量的制取，势必减少氮气产量；制取最大液氮量，氮气产量为零，换热器氮侧通道无气体通过，换热器换热效率将急剧下降，严重影响换热效果，工况无法实现，因此不能满足不同行业对高纯氮空分装置生产大液体工况的需求。本实用新型提供一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置，在冷箱3内液化器5 的氮气进口管道和污氮气进口管道的进口端部增加第一阀门12，第二阀门13，并且将两管道连接使之相通。[0028] 当空分装置需生产液氮工况时，将阀门12关闭，阀门13打开，即液化器5的换热通道m-N2和主换热器4的换热通道N3-N4，生产最大液氮工况时通道流体介质为污氮气， 而不是氮气，即可解决制取最大液氮量时换热器换热效率急剧下降的问题；当空分装置生产氮气工况时，将阀门12打开，阀门13关闭即可满足该工况。
权利要求1.一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置，包括空气过滤器(1)、与空气过滤器(1) 相连通的空气压缩机(2)、与空气压缩机(2)相连通的预冷系统(15)、与预冷系统(15)相连通的纯化系统(16)、以及设置在单独冷箱(3)内的包括主换热器(4)、液化器(5)、过冷器 (8)、单级精馏塔(6)、主冷凝蒸发器(7)、膨胀机的分馏塔系统，其特征在于所述的纯化系统(15)通过原料空气管道100与主换热器(4)的换热通道Al和A2相连通，A2与液化器 (5)的换热通道A3和A4相连通，A4与单级精馏塔(6)底部相连通，在单级精馏塔(6)上方设置有主冷凝蒸发器(7)，主冷凝蒸发器(7)通过液氮管道分别与产品液氮管道101和单级精馏塔(6)相连通，单级精馏塔(6)与第三氮气管道105和设置有第一阀门(12)的第一氮气管道102相连通，第三氮气管道105与主冷凝蒸发器(7)相连通，第一氮气管道102与第四氮气管道110相连通，第四氮气管道110与液化器(5)的换热通道m和N2相连通，N2 与主换热器(4)的换热通道N3和N4相连通，N4与第二氮气管道103相连通；在单级精馏塔(6)底部设置有富氧液空管道106，富氧液空管道106穿过过冷器(8)并经节流阀(14)与主冷凝蒸发器(7)相连通，在主冷凝蒸发器(7)顶部设置有第二污氮气管道107，第二污氮气管道107与过冷器(8)的换热通道WNl和WN2相连通，WN2与液化器(5) 的换热通道WN3和WN4相连通，WN4与膨胀机膨胀端(10)相连通，膨胀机膨胀端(10)通过管道分别与设置有第二阀门(13)的第三污氮气管道108和第四污氮气管道109相连通，第三污氮气管道108与第四氮气管道110相连通，第四污氮气管道109与过冷器(8)的换热通道WN5和WN6相连通，WN6与液化器(5)的换热通道WN7和WN8相连通，WN8与换热器(4) 的换热通道WN9和WNlO相连通，WNlO与第一污氮气管道104相连通，第一污氮气管道104 与设置有污氮气放空管道111的纯化系统相连通。
2.根据权利要求1所述的交替生产氮气和液氮的空气分离装置，其特征在于所述的第一污氮气管道104通过管道与膨胀机风机端(9)和污氮气放空管道111相连通。
3.根据权利要求1所述的交替生产氮气和液氮的空气分离装置，其特征在于所述的空气压缩机(2)的工作压力为0. 4MPa至1. OMPa0
4.根据权利要求1所述的交替生产氮气和液氮的空气分离装置，其特征在于所述的第二氮气管道103出冷箱的氮气压力为0. 3MPa至0. 9MPa。
5.根据权利要求1所述的交替生产氮气和液氮的空气分离装置，其特征在于所述的产品液氮管道101出冷箱的液氮压力为0. 3MPa至0. 9MPa。
专利摘要本实用新型涉及一种交替生产氮气和液氮的空气分离装置，在冷箱3内液化器5的氮气进口管道和污氮气进口管道的进口端部增加第一阀门12，第二阀门13，并且将两管道连接使之相通；当空分装置需生产液氮工况时，将阀门12关闭，阀门13打开，即液化器5的换热通道N1-N2和主换热器4的换热通道N3-N4,生产最大液氮工况时通道流体介质为污氮气，而不是氮气，即可解决制取最大液氮量时换热器换热效率急剧下降的问题；当空分装置生产氮气工况时，将阀门12打开，阀门13关闭即可满足该工况。
文档编号F25J3/04GK202119205SQ20112019537
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者张金华, 李美玲, 王连喜, 马源 申请人:开封空分集团有限公司