单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于低温精馏空气分离技术领域，具体涉及一种单塔双返流膨胀制取低压 氮气的装置和方法。 二、【背景技术】：
[0002] 目前，现有技术中关于氮气的制取方法和装置主要有以下方法，大致内容如下：
[0003] 产品氮气压力在0~5bar时主要有以下六种方案：
[0004] 方案一：返流废气膨胀流程，膨胀机增压端增压产品氮气或者正流空气，然后节流 至所需压力，一般在4~5bar ;空压机排气压力较产品氮气的压力要求高0? 8bar。
[0005] 方案二：正流空气膨胀流程，膨胀机增压端增压产品氮气或者正流空气，产品压 力直接获得，一般产品氮气压力在4~5bar ;空压机排气压力较产品氮气的压力要求高 1. 5bar左右。但是其提取率较高，膨胀空气先增压、后膨胀，然后直接排放作为分子筛纯化 系统的再生气。产品规模大于l〇〇〇〇NM 3/h时可以单独设置增压机增压膨胀空气，增压空气 膨胀后进冷箱，以提高产品量。
[0006] 方案三：双塔精馏流程，将上塔底部倒数第3~5块塔板的富氧（氧含量40%以 下）作为废气排放，作为分子筛纯化系统的再生气，上塔底部少量富氧（氧含量60%以上） 作为非产品气抽出。这样可以提高上塔的排气压力，以满足产品氮气压力要求，降低氮气产 品压缩能耗。这种流程可以获得两种压力的产品氮气，分别是0~2bar和5bar左右或者 更尚。
[0007] 方案四：双塔双冷凝流程，将上塔底部富氧节流后送入上塔顶部的冷凝器，以获得 0~3bar和5~7bar或者更高压力的产品氮气。这种流程产品提取率高，可达60 %左右。
[0008] 方案五：双塔双冷凝流程（双下塔流程），采用两塔平行布置，将压力较高的下塔 底部富氧通过液体泵送入低压下塔顶部的冷凝器，压力较高的冷凝器蒸汽通入压力较低的 塔底部，可以获得〇~3bar和5~7bar或者更高压力的产品氮气。这种流程产品提取率 尚，可达60 %左右。优点是可提尚低压塔压力，广品气压力也提尚不少。
[0009] 方案六：超低压流程，主塔运行压力均在1. 4bar (a)(精馏效率提高40%左右），由 膨胀机增压端增压空气，循环氮压机排气压力3. 5~5bar (a)，或者采用一体机，4-5级的排 气压力为7~12bar(a)，以满足产品压力要求，第三级中抽压力为3. 5~5bar(a)，以满足 主冷液化压力。塔的布置可以采用主冷布置在最底部，精馏塔坐落在主冷之上；也可以采用 主冷在主塔上部的布置方式。产品压缩机与流程压缩机合二为一，产品可以由精馏塔获取， 也可以压缩机中抽，可以获得0~3bar和5~7bar或者更高压力的产品氮气。这种流程 产品提取率可达60% (单塔），且能耗降低不少。缺点是设备规模有所扩大，适合20000m/ h等级以下的空分设备。
[0010] 按照目前氮气制取的现有技术，当产品氮气压力在〇~〇. IMPa时，采用方案一、方 案二中产品氮气压力均高于〇. IMPa，若采用这两种方案必须将氮气节流使用，势必造成不 必要的能量损失；采用方案三至方案五至少多采用两个精馏塔，流程复杂，设备较多、一次 设备投入较大更适合制取两种不同压力氮气的装置；采用方案六膨胀机必须是增压透平膨 胀机，仅适合较大制氮装置。 三、
【发明内容】
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[0011] 本发明要解决的技术问题是：提供一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方 法，本发明低压氮气制备方法流程简单、易于操作，设备一次投入少，采用本发明装置和方 法返流膨胀即可获得压力为〇? 01~〇? IMPa的氮气。
[0012] 为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为：
[0013] 本发明提供一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，包括空气过滤器AF、空气 压缩机TC、空气预冷系统RU、分子筛纯化系统MS、主换热器E1、精馏塔C1、设置在精馏塔顶 部的冷凝蒸发器K1、过冷器E2、节流阀、废气膨胀机ET2、氮气膨胀机ET1、氮气膨胀机驱动 的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2,两增压机进出口分别与大气相通（此时膨胀 机又称风机制动透平膨胀机）或通过管道依次连接于分子筛纯化系统MS和主换热器E1之 间（此时膨胀机又称增压机制动透平膨胀机即增压透平膨胀机，两增压机连接于分子筛纯 化系统MS和主换热器E1之间时二者的位置可以互换），各设备之间通过管道相连通，连接 关系为：
[0014] 空气过滤器AF的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机 TC的空气进气口连通，空气压缩机TC的空气出气口通过102管道与空气预冷系统RU的空 气进气口直接连通或者经末级冷却器WE后与空气预冷系统RU的空气进气口连通，空气预 冷系统RU的空气出气口通过103管道与分子筛纯化系统MS的空气进气口连通；分子筛纯 化系统的空气出气口通过104管道与主换热器E1的空气进气口直接连通或者分子筛纯化 系统MS的空气出气口通过104管道依次经氮气增压机BT1和废气增压机BT2后与主换热 器E1的空气进气口连通，主换热器E1的空气出气口通过105管道与精馏塔C1下部空气进 气口连通；
[0015] 精馏塔C1顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器E1的氮气进口连 通、通过202管道与冷凝蒸发器K1的氮气进口连通，主换热器E1的氮气出口通过204管道 与氮气膨胀机ET1的氮气进口连通，氮气膨胀机ET1的氮气出口通过205管道与主换热器 E1的另一氮气进口连通，主换热器E1的另一氮气出口通过206输出管道排出收集；冷凝蒸 发器K1的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔C1顶部液氮进口连通、通过403 输出管道并经节流阀VI后排出收集；
[0016] 精馏塔C1底部富氧液空出口通过301管道与过冷器E2的富氧液空进口连通，过 冷器E2的富氧液空出口通过302管道并经节流阀V2后通过303管道与冷凝蒸发器K1的 富氧液空进口连通，冷凝蒸发器K1的废气出口通过304管道与过冷器E2的废气进口连通， 过冷器E2的废气出口通过305管道与主换热器E1的废气进口连通，主换热器E1的废气出 口通过306管道与废气膨胀机ET2的废气进口连通，废气膨胀机ET2的废气出口通过307 管道与主换热器E1的另一废气进口连通，主换热器E1的另一废气出口分别通过310管道 与分子筛纯化系统MS连通、通过309管道排出或者与空气预冷系统RU连通。
[0017] 根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，所述氮气膨胀机ET1和驱动的 增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器E1和 过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或 油轴承透平膨胀机。
[0018] 根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，所述分子筛纯化系统包括至 少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀 KV1 ~KV11 ;
[0019] 所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机 时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41 ;所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器 包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组⑶。
[0020] 一种利用上述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，所述方法包括以下 步骤：
[0021] (1)、原料空气首先经过空气过滤器AF除杂，除杂后经过101管道进入空气压缩机 TC进行压缩，压缩后通过102管道直接进入空气预冷系统RU或者经末级冷却器WE后进入 空气预冷系统RU进行冷却，冷却后的空气经过103管道进入分子筛纯化系统MS进行净化， 得到净化后的原料空气；
[0022] (2)、步骤（1)净化后的原料空气通过104管道直接进入主换热器E1冷却到露点 温度以下即98. 77~105. 34K (此时空气压力为5. 25~8. 5bar (a)，露点温度为98. 957~ 105. 597K)，使原料空气中含有5. 3~8. 8mol %的液体（气相分率为0. 947~0. 912)，然后 进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
[0023] 或者步骤（1)净化后的原料空气经过104管道后依次进入氮气膨胀机驱动的增 压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2进行再次增压（原料空气的压力提升至5. 4~ 8. 5bar (a))，原料空气经过增压后进入主换热器E1冷却到露点温度以下即98. 79~ 105. 14K (此时空气压力为5. 25~8. 35bar (a)，露点温度为98. 957~105. 336K)，使原料空 气中含有4. 7~6. 6mol %的液体（气相分率为0. 953~0. 934)，然后进入精馏塔C1进行 分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
[0024] (3)、步骤⑵精馏塔C1顶部得到的氮气分成两部分：占氮气总量33. 3~ 43. 7mol %的部分氮气通过203管道进入主换热器E1复热（复热到107. 5~136. 3K)，然后 从主换热器E1中部抽出经过204管道进入氮气膨胀机ET1降压降温（压力降至为1. 22~ 2bar (a)、温度降温至79. 6~87K)，降温降压后经过205管道返回到主换热器E1进行复热， 然后出主换热器E1经206输出管道排出收集，作为产品氮气输出；剩余部分氮气通过202 管道进入精馏塔C1顶部的冷凝蒸发器K1冷却成液氮；得到的液氮分成两部分，占液氮总量 3. 1~10. 2mol %的部分液氮作为产品液氮，通过403管道并经节流阀VI节流后输出，剩余 部分液氮经402管道直接送回精馏塔顶部作为回流液