一种生产高压氮气的装置的制作方法

本实用新型涉及气体生产领域，尤其涉及一种生产高压氮气的装置。

背景技术：

随着精密电子工业、生物医药、化工等行业的快速发展，对高纯氮气需求量急剧增大，气体压力为0.5～1.2mpa，氮气纯度99.9％-99.9999％，同时需要少量液态氮(≤5％氮气产量)备用。

现有技术的一种空气分离制取压力氮气的装置是采用单塔返流富氧气(废气)膨胀制氮，氮气压力在0.4～1.2mpa，氮气提取率45～58％，由于该工艺进入精馏塔的气体呈气液饱和或带液状态，特别是进入塔釡的液体是不参与精馏的。其能耗在0.26～0.4kwh/nm³n2。另一种空气分离制取压力氮气的装置是采用空气膨胀单塔制氮，氮气压力在0.2～0.3mpa，其能耗在0.23kwh/nm³n2。还有一种空气分离制取压力氮气的装置是采用双塔制氮、低压塔底蒸发的富氧气膨胀制冷(双塔返流)流程，氮气压力在0.2～0.25mpa时，能耗约为0.22kwh/nm³n2。

中国专利：zl200810201071.2空气分离制取压力氮气的装置和方法，将原料空气由主换热器冷却进入增压透平膨胀机膨胀致冷进入低压塔精馏分离，在低压塔顶得到高纯压力氮气作为产品输出。部分原料空气进主换热器冷却后进入高压塔精馏分离，在高压塔顶得到高压氮气可作为产品输出。采用本实用新型的装置和方法，氮气提取率可达78～86％，氮气压力在0.2～0.3mpa，其能耗在0.18～0.26kwh/nm³n2。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术中的不足，提供一种高效地从空气中分离出较高压力的高纯氮的方法，满足精密电子工业、生物医药、化工等领域中使用高纯氮的需求，本实用新型满足氮气压力较高的需求同时具有提取率高、能耗低的特点。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

提供一种生产高压氮气的装置，包括：主换热器、高压塔、高压塔冷凝蒸发器、低压塔、低压塔冷凝蒸发器、过冷器和液氮泵；上述各设备之间通过管路连接，连接关系如下：

原料空气输入管线连接主换热器的原料空气进口；主换热器的原料空气出口连接高压塔的原料空气进口；

高压塔的高压氮气出口分别连接高压塔冷凝蒸发器的高压氮气进口和主换热器的高压氮气进口；主换热器的高压氮气出口连接高压氮气输出管线；

高压塔冷凝蒸发器的液氮出口连接高压塔的液氮进口，同时通过液氮泵出口控制阀连接液氮泵的液氮出口；液氮泵的液氮出口通过液氮泵出口控制阀连接高压塔的液氮进口；

低压塔的高压氮气出口连接低压塔冷凝蒸发器的高压氮气进口；低压塔冷凝蒸发器的液氮出口分别连接低压塔的液氮进口、液氮泵的液氮进口和液氮输出管线；

高压塔的富氧液空出口连接高压塔冷凝蒸发器的富氧液空进口；高压塔冷凝蒸发器的富氧气出口连接低压塔的富氧气进口和低压塔冷凝蒸发器的第一富氧液进口；低压塔的富氧液空出口连接过冷器的低压富氧液空进口；过冷器的低压富氧液空出口连接低压塔冷凝蒸发器的第二富氧液空进口；低压塔冷凝蒸发器的富氧气出口连接过冷器的富氧气进口；过冷器的富氧气出口连接主换热器的第一富氧气进口；主换热器的第二富氧气出口连接富氧气输出管线。

优选地，连接关系还可包括：所述高压塔的富氧液空出口连接过冷器的富氧液进口；过冷器的富氧液出口连接高压塔冷凝蒸发器的富氧液空进口。

优选地，所述装置还包括：低压透平膨胀机和第一控制阀，位于主换热器中部的第一富氧气出口通过第一控制阀连接低压透平膨胀机的进口；低压透平膨胀机的出口连接主换热器的第二富氧气进口。

优选地，所述装置还包括：第一节流阀，所述高压塔的富氧液空出口通过第一节流阀连接所述高压塔冷凝蒸发器的富氧液空进口。

优选地，所述装置还包括：第二节流阀，所述高压塔冷凝蒸发器的富氧气出口通过第二节流阀连接所述低压塔冷凝蒸发器的第一富氧液进口。优选地，高压塔塔釜富余的富氧液通过第二节流阀进入低压塔塔釜或低压塔冷凝蒸发器，来减少达到高压塔冷凝蒸发器的液位平衡。

优选地，高压塔冷凝蒸发器富余的富氧液通过自重经第二节流阀进入低压塔塔釜，而不进入低压塔冷凝蒸发器。

优选地，所述装置还包括：第三节流阀，所述过冷器的低压富氧液空出口通过第三节流阀连接所述低压塔冷凝蒸发器的第二富氧液空进口。

优选地，所述装置还包括：第二控制阀，所述低压塔冷凝蒸发器的液氮出口通过第二控制阀连接液氮输出管线。

优选地，所述装置还包括：第三控制阀，所述主换热器的高压氮气出口通过第三控制阀连接高压氮气输出管线。

本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本实用新型可实现氮气的提取率达到65-75％；高压氮气压力在0.5-1.2mpa；高纯氮中氮气纯度在99.9000-99.9999％；能耗在0.2-0.23kwh/nm³n2；高纯氮产品形式多样，生产的高纯氮产品可以是气体，也可为部分液氮产品，输送至液体储槽贮存；本实用新型所提供的高效生产氮气的方法，以空气为原料，经济实用，产品安全可靠，该方法可得到广泛应用，具有良好的市场前景。

附图说明

图1为本实用新型一种生产高压氮气装置的结构示意图；

图2为本实用新型另一种生产高压氮气装置的结构示意图；

图3为本实用新型另一种生产高压氮气装置的结构示意图；

图4为本实用新型另一种生产高压氮气装置的结构示意图；

其中的附图标记为：

主换热器e1；高压塔c1；高压塔冷凝蒸发器k1；低压塔c2；低压塔冷凝蒸发器k2；过冷器e2；低压透平膨胀机et01；液氮泵p01；第一节流阀v501；第二节流阀v502；第三节流阀v503；第一控制阀v401；第二控制阀v504；第三控制阀v601。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种生产高压氮气的装置，包括：主换热器e1、高压塔c1、高压塔冷凝蒸发器k1、低压塔c2、低压塔冷凝蒸发器k2、过冷器e2和液氮泵p01；上述各设备之间通过管路连接，连接关系如下：

原料空气输入管线连接主换热器e1的原料空气进口；主换热器e1的原料空气出口连接高压塔c1的原料空气进口；

高压塔c1的高压氮气出口分别连接高压塔冷凝蒸发器k1的高压氮气进口和主换热器e1的高压氮气进口；主换热器e1的高压氮气出口连接高压氮气输出管线；

高压塔冷凝蒸发器k1的液氮出口连接高压塔c1的液氮进口，同时通过液氮泵出口控制阀连接液氮泵p01的液氮出口；液氮泵p01的液氮出口通过液氮泵出口控制阀连接高压塔c1的液氮进口；

低压塔c2的高压氮气出口连接低压塔冷凝蒸发器k2的高压氮气进口；低压塔冷凝蒸发器k2的液氮出口分别连接低压塔c2的液氮进口、液氮泵p01的液氮进口和液氮输出管线；

高压塔c1的富氧液空出口连接高压塔冷凝蒸发器k1的富氧液空进口；高压塔冷凝蒸发器k1的富氧气出口连接低压塔c2的富氧气进口和低压塔冷凝蒸发器k2的第一富氧液进口；低压塔c2的富氧液空出口连接过冷器e2的低压富氧液空进口；过冷器e2的低压富氧液空出口连接低压塔冷凝蒸发器k2的第二富氧液空进口；低压塔冷凝蒸发器k2的富氧气出口连接过冷器e2的富氧气进口；过冷器e2的富氧气出口连接主换热器e1的第一富氧气进口；主换热器e1的第二富氧气出口连接富氧气输出管线。

如图2所示，连接关系还可包括：所述高压塔c1的富氧液空出口连接过冷器e2的富氧液进口；过冷器e2的富氧液出口连接高压塔冷凝蒸发器k1的富氧液空进口。

优选地，所述装置还包括：低压透平膨胀机et01和第一控制阀v401，位于主换热器e1中部的第一富氧气出口通过第一控制阀v401连接低压透平膨胀机et01的进口；低压透平膨胀机et01的出口连接主换热器e1的第二富氧气进口。

优选地，所述装置还包括：第一节流阀v501，所述高压塔c1的富氧液空出口通过第一节流阀v501连接所述高压塔冷凝蒸发器k1的富氧液空进口。

优选地，所述装置还包括：第二节流阀v502，所述高压塔冷凝蒸发器k1的富氧气出口通过第二节流阀v502连接所述低压塔冷凝蒸发器k2的第一富氧液进口。

如图3所示，高压塔c1塔釜富余的富氧液通过第二节流阀v502进入低压塔c2塔釜或低压塔冷凝蒸发器k2，来减少达到高压塔冷凝蒸发器k1的液位平衡。

如图4所示，高压塔冷凝蒸发器k1富余的富氧液通过自重经第二节流阀v502进入低压塔c2塔釜，而不进入低压塔冷凝蒸发器k2。

优选地，所述装置还包括：第三节流阀v503，所述过冷器e2的低压富氧液空出口通过第三节流阀v503连接所述低压塔冷凝蒸发器k2的第二富氧液空进口。

优选地，所述装置还包括：第二控制阀v504，所述低压塔冷凝蒸发器k2的液氮出口通过第二控制阀v504连接液氮输出管线。

优选地，所述装置还包括：第三控制阀v601，所述主换热器e1的高压氮气出口通过第三控制阀v601连接高压氮气输出管线。

上述生产高压氮气的装置的工作原理为：

如图1所示，纯化干燥后的原料空气101(11200nm³/h，0.84mpa)经主换热器e1冷却至饱和状态(～-165.5℃)，饱和空气102进入高压塔c1塔釜，在高压塔c1中分离成高压氮气401和富氧液空301；

氮气401(～11670nm³/h)分为两路，一路氮气405经主换热器e1复热后，作为高纯氮气产品406(6000nm³/h，0.9mpa，含氧量≤3ppm)输出；

另一路氮气402(5600nm³/h)经高压塔冷凝蒸发器k1冷凝成液氮403，与液氮泵p01后的液氮413(2370nm³/h)混合后作为高压塔c1回流液；

富氧液空301经第一节流阀v501节流至0.49mpa后，进入高压塔冷凝蒸发器k1中蒸发成气态304，再进入低压塔c2塔釜，高压塔冷凝蒸发器k1富余的富氧304经第二节流阀v502进入低压塔冷凝蒸发器k2；进入低压塔c2的富氧液303(5400nm³/h)在低压塔c2(工作压力0.485mpa)中精馏分离成低压氮气407(5936nm³/h，含氧量≤3ppm)和富氧液501；

中压氮气407经低压塔冷凝蒸发器k2冷凝成中压液氮408后分成三路，一路液氮409自顶部作为低压塔c2回流液，一路作为液氮产品410(～30nm³/h)输出，另一路液氮411(2340nm³/h，0.48mpa)进入液氮泵p01中，增压至1.05mpa与出高压塔冷凝蒸发器k1的液氮403混合后的液氮404作为高压塔c1回流液；

富氧液501经过冷器e2过冷后，经第二节流阀v503节流至0.175mpa后在低压塔冷凝蒸发器k2中蒸发成富氧气504，经过冷器e2及主换热器e1复热至-146℃后，从主换热器e1中下部抽出，进入低压透平膨胀机et01中膨胀至0.025mpa后，返回主换热器e1，再经主换热器e1复热至18℃的富氧气508作为纯化器再生气体输出；

如图3所示，高压塔c1富余的富氧液304通过第二节流阀v502进入低压塔c2塔釜或低压塔冷凝蒸发器k2，来减少达到高压塔冷凝蒸发器k1的液位平衡；

如图4所示，高压塔冷凝蒸发器k1富余的富氧液304通过自重经第二节流阀v502进入低压塔c2塔釜，而不进入低压塔冷凝蒸发器k2。

本实用新型可实现氮气的提取率达到65-75％；高压氮气压力在0.5-1.2mpa；高纯氮中氮气纯度在99.9000-99.9999％；能耗在0.2-0.23kwh/nm³n2；高纯氮产品形式多样，生产的高纯氮产品可以是气体，也可为部分液氮产品，输送至液体储槽贮存；本实用新型所提供的高效生产氮气的方法，以空气为原料，经济实用，产品安全可靠，该方法可得到广泛应用，具有良好的市场前景。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。