一种提高空分装置氮气产量的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低温法空气分离制氧领域。
【背景技术】
[0002]现代低温法空气分离制氧技术(简称空分技术或制氧技术)所采用的空气分离装置(简称空分装置或制氧机)，其常规设计分离产品氧气和产品氮气的产量比例为1:1?1:1.1，空气中其余的氮组分以污氮气的形式输出，主要用作空分流程中分子筛再生气、水冷却塔冷却气。按国标氮气纯度标准分为工业用氮气、纯氮和高纯氮三级，它们的纯度分别为99.5%,99.99%和99.999%，上述的产品氮气在本领域内通常指纯度彡99.5%的氮气，污氮气通常指纯度多96%的非纯氮气。在本发明中产品氮气相对于污氮气可以称之为纯氮气或氮气，污氮气可以简称为污氮。
[0003]当前，氮气作为洁净、干燥、不活跃气体，使用范围越来越广泛，在不增设新的空分装置的前提下，现有空分技术中产品氧氮产量的固有设计比例已经无法满足不断增长地氮气的需求量，如何对现有空分装置进行技术调整改造，在机组性能允许范围内提高产品氮气的产量达到需求量，是现存的技术问题。
[0004]对空分装置的投资是十分巨大的，仅仅为了获得更多的氮气产品而增加空分装置无疑是一种浪费，为此，通过对原有空分装置进行改进，充分利用现有空分设备，只需要相对整体装置很少的投资，就能提高原有机组工艺许可范围内的氮气产量，解决对产品氮气的需求问题。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种提高空分装置氮气产量的方法，该方法能有效地提高空分装置的产品氮气产量，使氮气产量比例超出空分装置氧氮产品产量的原有设计比例，在工艺许可范围内满足对产品氮气的需求量。
[0006]为解决上述技术问题，本发明一种提高空分装置氮气产量的方法包括对空分装置上塔内的部分污氮气进一步提纯为纯氮气，再将这部分增加的纯氮气与原产品氮气共同输出；根据所述增加的纯氮气量计算出将一定量的污氮气精馏成纯氮气所需要的精馏填料或塔板数，再根据计算结果相应增加空分装置上塔内的精馏填料或塔板数，通过对所述上塔内的部分污氮气进一步精馏提纯，将这部分污氮气提纯为纯氮气，从而得到所述增加的纯氮气量。
[0007]在上述方案中，由于空气中氧氮组份的含量是固定的，因此在空分装置中增加纯氮气产量必然会减少污氮气量，依据物料平衡与能量平衡原理，对所述的一定量的污氮气提纯为纯氮气进行精馏计算，计算出将所述部分污氮气提纯为纯氮气需要增加的精馏填料或塔板数，再根据计算结果对所述空分装置的上塔进行改造，在原上塔基础上增加上述的填料或塔板数，对上塔内的所述部分污氮气进一步精馏、提高其纯度，达到纯氮气的标准。
[0008]作为上述技术方案的进一步实施方案，本发明将所述空分装置上塔的纯氮气和污氮气出口总管内的介质互换，同时将主换热器纯氮气和污氮气出口管路内的介质互换，以及主换热器内纯氮气和污氮气通道内的介质互换，原纯氮气管路或通道用于污氮气，原污氮气管路或通道用于纯氮气。
[0009]在上述进一步实施方案中，由于原有空分装置常规设计氧氮比例为1:1或1:1.1，而空气中氧氮组份比例约为1:4，即原有设计纯氮气与污氮气的比例约为1:3，从所述空分装置上塔引出的纯氮气与污氮气通入主换热器的管道，以及纯氮气和污氮气通过主换热器内的通道并从主换热器输出的总管流量也是基于这个比例设计的；当从所述空分装置上塔引出进入主换热器的纯氮气量增加等于或超过污氮气量时，为了充分利用原有空分装置设施，将原有空分装置上述纯氮气与污氮气管道内的介质进行互换，即能解决纯氮气量增加和污氮气量减少后的通道流量问题。此外，因氮气和污氮气出口总管内介质互换，相应地还需对整个空分装置其它相关氮气和污氮管路进行改造，因所述其它管路涉及的氮气和污氮量相对氮气和污氮总量较少，且涉及的工艺流程比较复杂，因此在本发明中仅对影响产品氮气产量的主要工艺流程和改造进行详细阐述。
[0010]作为上述技术方案的更进一步实施方案，本发明还需根据污氮气量与水冷却塔内冷却水之间的温差关系核算出所减少污氮气量损失的冷量，通过增加大温差冷水机组来弥补这部分损失的冷量。
[0011]因为污氮气提纯为纯氮气后将减少污氮气输出量，导致用于冷却塔冷却水的污氮气量减少，即用于冷却水的冷量减少，从而导致空分装置内冷量失衡。为此，需要根据污氮气量与出水冷塔冷却水的温差关系核算出减少污氮气量损失的冷量，通过增加大温差冷水机组弥补这部分冷量，确保整个空分装置内的冷量平衡。
[0012]作为上述更进一步实施方案的备选方案，本发明还可以在产品氮气富裕或冷冻机检修的情况下，将冷冻机停机，停止新增产品氮气对外输送，旁通送入水冷塔作为冷源，保证空分装置的连续稳定运行。
[0013]同时作为上述技术方案的更进一步实施方案，本发明还需根据分子筛纯化器再生冷吹阶段污氮气出纯化器的温度变化，增设一台液氮喷射蒸发器对液氮进行蒸发后与进入纯化器的污氮气混合，消除因进入纯化器污氮量的减少而对纯化器再生效果造成的影响，同时补充因污氮量减少损失的冷量，从而维持所述空分装置内的冷量平衡。
[0014]由于纯化器的工作原理是利用分子筛吸附作用净除加工空气中的水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物，污氮作为再生气用来恢复分子筛的吸附功能，当污氮量减少时，会导致纯化器再生不充分，吸附功能逐渐减弱，造成加工空气中上述杂质含量的升高，影响空分装置的安全；同时污氮量的减少也导致进入纯化器冷量的减少，造成出纯化器加工空气温度升高，影响空分装置内的冷量平衡。为此，在通向纯化器的污氮管道上引入一条液氮管线，并增加一台液氮喷射蒸发器对液氮进行蒸发后与进入分子筛的污氮气混合，用来补充污氮量并降低污氮气的温度，不仅促进分子筛再生功能的恢复，同时也降低了加工空气的纯化器出口温度，使所述空分装置内冷量保持平衡。
[0015]同时作为上述更进一步实施方案的备选方案，还可以在产品氮气富裕的情况下，将富裕的产品氮气引入通向分子筛纯化器的污氮气管道中，与污氮气混合补充减少的污氮量及冷量，从而减少液氮的使用量。因生产需求，时常会对富裕的产品氮气做放散处理，而液氮便于储槽储存，因此在产品氮气过剩的情况下充分加以利用，减少液氮的使用量，同样能达到上述效果。
[0016]针对本发明一种提高空分装置氮气产量的方法，产品氮气的产量可根据实际需求在产品氧气和产品氮气比例为1:1到1:3范围内变动。
[0017]本发明改变了所述空分装置原设计产品氧氮1:1?1:1.1的比例，实际生产中可以按照用户的需求，在1:1?1:3之间调节产品氧气氮气比例，在氧气需求满足的情况下，增强了氮气匹配的适宜性。需要说明的是，这里所述的产品氧氮比例是基于原空分装置产品氧氮的设计值。
[0018]本发明通过将部分污氮气提纯为纯氮气达到有效地提高纯氮气产量的目的，同时仍保持空分装置原有其它产品的产量和纯度，及保证装置的安全稳定运行，且实施成本较低，经济效益显著。
【附图说明】
[0019]图1是实施例空分装置现有技术产品氮气和污氮工艺流程示意图；
图2是实施例空分装置实施本发明技术方案后产品氮气和污氮工艺流程示意图。
[0020]10、精馏塔上塔11、主换热器12、水冷却塔(简称水冷塔)13、分子筛纯化器(简称纯化器)14、放散塔15、水泵16、冷凝蒸发器(简称主冷)17、液氮储槽18、辅塔20、上塔氮气出口总管21、上塔污氮出口总管22、主换热器污氮出口通水冷塔管路23、主换热器污氮出口通纯化器管路24、主冷液氮出口管路25、主换热器氮气出口总管30、改造后上塔污氮出口总管31、改造后上塔氮气出口总管32、新增辅塔33、改造后主换热器氮气出口支管34、改造后污氮通纯化器支管35、新增液氮喷射器输入管路36、液氮喷射蒸发器37、冷冻机38、改造后主换热器污氮出口总管39、改造后主换热器氮气出口总管40、氮气总管旁通管路。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和本发明的【具体实施方式】对本发明一种提高空分装置氮气产量的方法作以下说明。在本实施例中仅对涉及到本发明的工艺流程及设备作如下说明。
[0022]图1是实施例空分装置三万制氧机现有技术产品氮气和污氮工艺流程示意图。
[0023]本实施例三万制氧机现有的常规设计方案为:产品氧气、氮气产量各为35000 m3/h，其中产品氮气杂质含量小于lOppm，污氮气纯度多96%并小于纯氮气的纯度，产出的污氮气约60000m3/h进入水冷塔作为冷却剂，40000m3/h进分子筛纯化器作为再生气。本发明实施例三万制氧机现有氮气和污氮工艺流程包括:经过精馏塔上塔10和辅塔18精馏得到的纯氮气通过上塔氮气出口总管20从辅塔18顶部引出，并输送到主换热器11中与加工空气进行换热，换热后作为产品氮气从主换热器氮气出口总管25输出。污氮从上塔10上部侧面引出通过上塔污氮出口总管21输送到主换热器11中与加工空气进行换热，换热后一部分污氮通过主换热器污氮出口通水冷塔管路22输送到水冷塔12用来冷却水，另一部分污氮通过主换热器污氮出口通纯化器管路23输送到分子筛纯化器13作为分子筛再生气使用；从冷凝蒸发器16上部引出部分液氮作为液氮产品，通过主冷液氮出口管路24输送到液氮储槽17中。此外，根据实际需求将多余的产品氮气通过放散塔14放散到大气中。
[0024]实际生产中随着对产品氮气需求量的不断增大，三万制氧机常规设计产品氮气产量35000 m3/h已经远远不能满足生产需求，在不增加新制氧机的前期下，本发明提供了一种提高空分装置纯氮气产量的方法，用来解决上述问题。下面结合图2阐述本发明的【具体实施方式】。
[0025]图2是实施例空分装置三万制氧机实施本发明技术方案后产品氮气和污氮气工艺流程示意图。
[0026]本发明实施例提供了一种提高空分装置纯氮气产量的方法，包括对三万制氧机精馏塔上塔10内的部分污氮气进一步提纯为纯氮气，再将这部分增加的纯氮气与原产品纯氮气共同输出；为解决上述技术问题，本