本实用新型涉及一种高纯氮装置的改进，特指一种能耗低的富氧后增压返流膨胀制氮机。
背景技术：
氮气的化学性质不活泼，在平常的状态下有很大的惰性，不容易与其它物质发生化学反应。因此，氮气在玻璃、炼油、冶金、电子、化学工业中广泛地用来作为保护气，其应用前景非常广阔。
中国专利201010257166.3公开了一种高纯氮设备，包含预处理系统、纯化系统和分馏塔，所述分馏塔包括透平膨胀机，用于热交换的主换热器和过冷器，以及精馏塔和冷凝蒸发器，所述精馏塔包括上塔和下塔，所述纯化系统的出口经管路连接到下塔的空气入口，该管路经过主换热器；所述下塔还设有用于供精馏产生的富氧液空流出的富氧液空出口，所述富氧液空出口经管路连接到所述纯化系统，该管路经过主换热器；所述上塔设有氮气出口，该出口连接的管路经过主换热器。本发明通过将富氧的管路、原料空气的管路、氮气的管路同时连接至主换热器，使得富氧和氮气的冷量得到充分利用，节能环保；同时将富氧送入膨胀机进行制冷，结构合理，节约物料，流程配置简单。但该技术方案中再生气进纯化系统的温度为17℃左右，再经电加热器加热至200℃后进入吸附筒对分子筛进行再生，该方案的能耗较高。
为此，我们研发了一种能耗低的富氧后增压返流膨胀制氮机。
技术实现要素：
本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种能耗低的富氧后增压返流膨胀制氮机。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：富氧后增压返流膨胀制氮机，包含自洁式空气过滤器;原料空气经自洁式空气过滤器去掉杂质后由空气压缩机压缩至所需的压力，经预冷机预冷后，进入纯化器；在纯化器中吸附掉原料空气中的水分、二氧化碳、碳氢化合物后进入分馏塔;接着空气在分馏塔中经主换热器与返流之富氧气及氮气进行换热而冷却到饱和温度后进入精馏塔进行精馏,在精馏塔的顶部得到高纯度氮气；这股高纯度氮气一部份作为产品氮气,经主换热器复热后出分馏塔,送至用户；另一部份经冷凝蒸发器冷凝液化,所得液氮的一部份作为产品输出,另一部份重新入塔作回流液；冷凝蒸发器的冷源是靠从精馏塔的塔底抽取一部份富氧液空经过冷器冷却,节流后在冷凝蒸发器中蒸发来提供；富氧液空在冷凝蒸发器内蒸发并经主换热器复热,然后在增压透平膨胀机膨胀到接近大气压, 产生装置所需的冷量；膨胀后的富氧气经主换热器复热至常温后出分馏塔分为两部分，一部分进入膨胀机的增压端升温后，再经电加热器加热作为纯化器的再生气；另一部分当纯化器处于加热阶段时进入消音器放空；当纯化器处于冷吹阶段时做为纯化器的冷吹气。
优选的，所述增压透平膨胀机为气体轴承增压透平膨胀机。
优选的，所述的预冷机还设置有自动排水器。
优选的，所述的纯化器设置有气流均匀分布装置。
优选的，所述的电加热管采用不锈钢直棒式。
优选的，所述纯化器的出口设置有粉尘过滤器。
优选的，所述纯化器的再生加热气量与电加热管设有联锁装置,气量低于设定值自动断路保护,高于设定自动恢复。
优选的，所述电加热管的功率分二组控制，当电加热管的出口温度低于或高于设定参数，自动停止或启动。
优选的，所述的富氧后增压返流膨胀制氮机中95%以上的冷量由增压透平膨胀机提供。
优选的，所述主换热器采用了长板式换热器，使热端温差控制在小于3℃。
由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
本实用新型所述的富氧后增压返流膨胀制氮机在常规单塔返流制氮流程的基础上增加了富氧气后增压，即出冷箱的富氧气经过增压透平膨胀机ET的增压端增压后做为纯化器的再生气，再生气进电加热器EH的入口温度由17℃提高至50℃左右，可大大降低电加热器EH的功率，节能效果明显。
附图说明
下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
附图1为本实用新型所述的富氧后增压返流膨胀制氮机的工作原理图。
其中：AF、自洁式空气过滤器；TC、空气压缩机；UF、预冷机；PPU、纯化器；EH、电加热器；SL、消音器；CB、分馏塔；E1、主换热器；E2、过冷器；K、冷凝蒸发器；ET、增压透平膨胀机；C、精馏塔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
附图1为本实用新型所述的富氧后增压返流膨胀制氮机，包含自洁式空气过滤器AF;原料空气经自洁式空气过滤器AF去掉杂质后由空气压缩机TC压缩至所需的压力，经预冷机UF预冷后，进入纯化器PPU；在纯化器PPU中吸附掉原料空气中的水分、二氧化碳、碳氢化合物后进入分馏塔CB;接着空气在分馏塔CB中经主换热器E1与返流之富氧气及氮气进行换热而冷却到饱和温度后进入精馏塔C进行精馏,在精馏塔C的顶部得到高纯度氮气；这股高纯度氮气一部份作为产品氮气,经主换热器E1复热后出分馏塔CB,送至用户；另一部份经冷凝蒸发器K冷凝液化,所得液氮的一部份作为产品输出,另一部份重新入塔作回流液；冷凝蒸发器K的冷源是靠从精馏塔C的塔底抽取一部份富氧液空经过冷器E2冷却,节流后在冷凝蒸发器K中蒸发来提供；富氧液空在冷凝蒸发器K内蒸发并经主换热器E1复热,然后在增压透平膨胀机ET膨胀到接近大气压, 产生装置所需的冷量；膨胀后的富氧气经主换热器E1复热至常温后出分馏塔CB分为两部分，一部分进入膨胀机ET的增压端升温后，再经电加热器EH加热作为纯化器PPU的再生气；另一部分当纯化器PPU处于加热阶段时进入消音器SL放空；当纯化器PPU处于冷吹阶段时做为纯化器PPU的冷吹气。
本实施例中，所述增压透平膨胀机ET为气体轴承增压透平膨胀机。
本实施例中的预冷机UF采用全低压分子筛吸附流程，有效防止水分、二氧化碳进入冷箱中低温设备，运行压力低，安全可靠。
本实施例所述的预冷机UF采用整体撬装型式，结构紧凑，安装方便，外型美观，并且能充分分离空气出预冷机后的水份，确保没有水滴进入分子筛纯化器，延长分子筛的使用寿命。
本实施例所述的预冷机UF还设置有报警装置和连锁保护装置,使运行更可靠。
本实施例所述的预冷机UF的压缩机调节方式采用自动方式，能根据对冷量的需求自动实现调节，同时所述的预冷机UF配套冷量微调系统，能根据大气温度的变化和处理气量的变化来调节，保证机组在多工况下的良好运行。
本实施例所述的预冷机UF还设置有自动排水器，简单、可靠。
本实施例所述的纯化器PPU为分子筛纯化器，采用“双层床”结构，使出纯化器PPU的空气中CO2含量为≤1PPm，H2O含量常压露点≤-70℃。
本实施例所述的纯化器PPU设置有气流均匀分布装置，寿命长、节省投资、降低能耗。
本实施例所述的纯化器PPU的均压阀采用调节球阀，配合压力开关，实现无冲击切换。
本实施例所述的纯化器PPU采用新型密封结构蝶阀，走位精确，寿命长，可靠性好。
本实施例所述的电加热管EH采用不锈钢直棒式，故障率低，拆卸方便,当电加热管EH故障时可单根抽取，方便进行更换。
纯化器PPU的出口设置有粉尘过滤器，有效防止粉尘进入下塔，保证空分设备长期稳定运行。
纯化器PPU的再生加热气量与电加热管EH设有联锁装置,气量低于设定值自动断路保护,高于设定自动恢复。
电加热管EH的功率分二组控制，当电加热管EH的出口温度低于或高于设定参数，自动停止或启动。
所述精馏塔C采用全铝结构高效对流筛板，充分保证塔板的水平度，塔板效率高，使产品氮提取率高。
本实用新型所述的富氧后增压返流膨胀制氮机中95%以上的冷量由增压透平膨胀机ET提供，轴承润滑采用气体润滑、高效三元流工作轮，增压透平膨胀机ET运行稳定，操作维修方便，增压透平膨胀机ET绝热效率高。转子及轴承可以从常温端进行直接更换，不需扒珠光砂，维护方便。
增压透平膨胀机ET供气管路设计满足用户在不停和不切换透平膨胀机的情况下可随意更换过滤片，过滤器采用不锈钢加工制造。
本实施例中，尽可能减少原料有害杂质进入冷凝蒸发器K。
所述冷凝蒸发器K设有接地结构，防止静电。
所述冷凝蒸发器K采用独特的防爆结构，防止CnHm和NO2等杂质的翅片中的积聚。
本实用新型所述的富氧后增压返流膨胀制氮机采用PLC全自动系统，减少工人劳动强度；还使用了调节阀、在线分析仪等测控组件；除了确保设备的正常运行外，还可以在设备出现事故停车时提供以下保护措施：所有控制阀门的故障位置处于一个安全的位置，保证设备安全。
所述预冷机UF的冷箱内管道进行应力分析，管道布置采用自补偿形式，采用了铝合金材料。
所述主换热器E1采用了长板式换热器，使热端温差控制在小于3℃，减少冷量损失，降低能耗。
所述预冷机UF的冷箱内的阀架、管架、冷箱内设备支吊架均采用不锈钢，增加强度，提高可靠性，降低热导率。
同时，本实施例所述的富氧后增压返流膨胀制氮机采用富氧气在经增压透平膨胀机ET的增压端增压升温的原理，在产品气氮相同压力相同流量的前提下与常规单塔返流膨胀高纯氮流程相比可降低电加热器的功率，降低电耗。
本实施例中再生气的温度将提升至50℃，可降低电加热器的功率，明显节能。试验表明，用户需3000Nm3/h-3.5barg的高纯氮气，常规单塔返流流程需用120KW的电加热器，应用本流程后电加热器功率为90KW，整套装置的综合能耗降低~2.1%。
由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
本实用新型所述的富氧后增压返流膨胀制氮机在常规单塔返流制氮流程的基础上增加了富氧气后增压，即出冷箱的富氧气经过增压透平膨胀机ET的增压端增压后做为纯化器的再生气，再生气进电加热器EH的入口温度由17℃提高至50℃左右，可大大降低电加热器EH的功率，节能效果明显。
以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。