一种低能耗液氮制取装置及工艺的制作方法

本发明涉及空气分离技术领域，具体涉及一种低能耗液氮制取装置及工艺。

背景技术：

随着电子、瓷业、浮法玻璃等行业的蓬勃发展，对氮气的需求也不断增加。由于液氮产品具有便利贮存、供应方便、保证质量、输送效率高等优点越来越被用户采用，市场潜力很大。如果仅靠空分设备副产品根本就不能满足市场的需求，全液体空分设备的应用已成为一种趋势。

全液体空分设备产品生产主要采用低温精馏分离工艺，利用空气中各组分蒸发温度的不同将它们分离并得到液体产品。空分设备的原料是大气，其主要的消耗是能源，尤其对全液体空分能耗的高低更为关键。因此，在全液体空分设备中如何进一步降低能量消耗显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低能耗液氮制取装置及工艺，以解决现有技术的不足。

本发明采用以下技术方案：

一种低能耗液氮制取装置，包括过滤器、透平空气压缩机、空气预冷机组、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、冷冻机组、循环空压机、主换热器、精馏塔i、冷凝蒸发器i、精馏塔ii、冷凝蒸发器ii、过冷器、第一膨胀机、第二膨胀机、冷箱，

过滤器、透平空气压缩机、空气预冷机组、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、冷冻机组、循环空压机、第一膨胀机增压端设于冷箱外，主换热器、精馏塔i、冷凝蒸发器i、精馏塔ii、冷凝蒸发器ii、过冷器、第一膨胀机、第二膨胀机设于冷箱内，冷凝蒸发器i设于精馏塔i之上，冷凝蒸发器ii设于精馏塔ii之上；

过滤器、透平空气压缩机、空气预冷机组、交替使用的分子筛吸附器依次连接，交替使用的分子筛吸附器的出口分别和主换热器、第一膨胀机增压端连接，主换热器的第一部分冷却出口和冷冻机组连接，冷冻机组和主换热器连接，主换热器的第一完全冷却出口和精馏塔i底部的原料空气进口连接；第一膨胀机增压端和第一增压后冷却器连接，第一增压后冷却器和主换热器连接，主换热器的第二部分冷却出口和冷冻机组连接，冷冻机组和主换热器连接，主换热器的第三部分冷却出口和第一膨胀机连接，第一膨胀机和主换热器连接，主换热器和循环空压机连接，循环空压机和第二增压后冷却器连接，第二增压后冷却器连至交替使用的分子筛吸附器出口，主换热器第二完全冷却出口和精馏塔i底部的原料空气进口连接，主换热器第二完全冷却出口和精馏塔i底部的原料空气进口的连接管路上设有节流阀；

精馏塔i顶部的氮气出口和冷凝蒸发器i连接，冷凝蒸发器i的液氮出口分别和精馏塔i顶部、过冷器连接，过冷器和冷箱外液氮储罐连接，过冷器和冷箱外液氮储罐的连接管路上设有节流阀；

精馏塔i底部的液空出口和过冷器连接，过冷器和冷凝蒸发器i连接，过冷器和冷凝蒸发器i的连接管路上设有节流阀，冷凝蒸发器i的富氧空气出口、冷凝蒸发器i的液空出口分别和精馏塔ii底部的原料进口连接；

精馏塔ii顶部的低压氮气出口和冷凝蒸发器ii连接，冷凝蒸发器ii的低压液氮出口分别和精馏塔ii顶部、冷箱外液氮储罐连接；

精馏塔ii底部的富氧液空出口和冷凝蒸发器ii连接，精馏塔ii底部的富氧液空出口和冷凝蒸发器ii的连接管路上设有节流阀，冷凝蒸发器ii的污氮气出口和过冷器连接，过冷器和主换热器连接，主换热器部分复热出口和第二膨胀机连接，第二膨胀机和主换热器连接，主换热器分别和冷箱外放空管道、电加热器连接，电加热器和交替使用的分子筛吸附器连接。

一种低能耗液氮制取工艺，包括如下步骤：

步骤一、将原料空气经过滤器过滤掉灰尘和机械杂质后，进入透平空气压缩机将空气压缩到设定压力；之后经空气预冷机组预冷后进入交替使用的分子筛吸附器中纯化；

步骤二、将纯化后的原料空气和循环增压后空气汇合，部分用于仪表空气，其余分成两股，一股进入主换热器部分冷却，抽出，经低温冷冻机冷却后，引入主换热器继续冷却至饱和温度并带有一定的含湿后进入精馏塔i底部参与精馏；另一股经第一膨胀机增压端增压后引入主换热器部分冷却，抽出，经低温冷冻机冷却后，引入主换热器继续冷却，引出一部分空气进入第一膨胀机膨胀，膨胀后空气经主换热器复热后出冷箱，引入循环空压机，循环增压后和纯化后的原料空气汇合以循环利用，另一部分空气继续冷却至饱和温度后节流进入精馏塔i底部参与精馏；

步骤三、空气经精馏塔i精馏后分离为氮气和液空，氮气引入冷凝蒸发器i和液空换热，压力氮气被冷凝为液氮，部分液氮引入精馏塔i作为回流液，其余部分液氮过冷、节流后作为产品液氮；液空经过冷、节流后进入冷凝蒸发器i和氮气换热，液空被汽化为富氧空气，富氧空气和未被汽化的部分液空引入精馏塔ii参与精馏；

步骤四、富氧空气和液空经精馏塔ii精馏后分离为低压氮气和富氧液空，低压氮气引入冷凝蒸发器ii和富氧液空换热，低压氮气被冷凝为低压液氮，部分低压液氮引入精馏塔ii作为回流液，其余部分低压液氮作为产品液氮；富氧液空节流后引入冷凝蒸发器ii和低压氮气换热，富氧液空被汽化为污氮气，污氮气经过冷器、主换热器部分复热后引入第二膨胀机膨胀，膨胀后进入主换热器复热，复热后出冷箱，部分作为再生气由电加热器加热后引入交替使用的分子筛吸附器，其余放空。

本发明的有益效果：

1、本发明以空气为原料，分子筛净化空气、采用中压空气正流膨胀加低压污氮气返流膨胀、双塔双冷凝制取高纯度液氮，装置能耗低、氮提取率高。

2、本发明采用双冷凝蒸发器，设置冷凝蒸发器i，因冷凝蒸发器i中液空中含氧量较精馏塔ii低，在精馏塔i精馏压力不变的情况下，可以提高进入冷凝蒸发器i节流后液空的压力，液空被精馏塔i顶部氮气蒸发后直接进入精馏塔ii；因此精馏塔ii压力提高，在满足冷凝蒸发器ii换热的情况下，精馏塔ii底部富氧液空节流后压力也相应提高，进而进入第二膨胀机的污氮气压力相应提高，膨胀制冷量增加，装置能耗降低。

3、本发明一股原料空气经第一膨胀机增压端增压后引出，该股空气压力高，经过主换热器被返流气体冷却时易液化，进一步降低装置能耗。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

一种低能耗液氮制取装置，如图1所示，包括过滤器1、透平空气压缩机2、空气预冷机组3、交替使用的分子筛吸附器4、电加热器5、冷冻机组14、循环空压机15、主换热器6、精馏塔i9、冷凝蒸发器i10、精馏塔ii11、冷凝蒸发器ii12、过冷器13、第一膨胀机7、第二膨胀机8、冷箱，

过滤器1、透平空气压缩机2、空气预冷机组3、交替使用的分子筛吸附器4、电加热器5、冷冻机组14、循环空压机15、第一膨胀机增压端7-1设于冷箱外，主换热器6、精馏塔i9、冷凝蒸发器i10、精馏塔ii11、冷凝蒸发器ii12、过冷器13、第一膨胀机7、第二膨胀机8设于冷箱内，冷凝蒸发器i10设于精馏塔i9之上，冷凝蒸发器ii12设于精馏塔ii11之上；

过滤器1、透平空气压缩机2、空气预冷机组3、交替使用的分子筛吸附器4依次连接，交替使用的分子筛吸附器4的出口分别和主换热器6、第一膨胀机增压端7-1连接，主换热器6的第一部分冷却出口和冷冻机组14连接，冷冻机组14和主换热器6连接，主换热器6的第一完全冷却出口和精馏塔i9底部的原料空气进口连接；第一膨胀机增压端7-1和第一增压后冷却器16连接，第一增压后冷却器16和主换热器6连接，主换热器6的第二部分冷却出口和冷冻机组14连接，冷冻机组14和主换热器6连接，主换热器6的第三部分冷却出口和第一膨胀机7连接，第一膨胀机7和主换热器6连接，主换热器6和循环空压机15连接，循环空压机15和第二增压后冷却器17连接，第二增压后冷却器17连至交替使用的分子筛吸附器4出口，主换热器6第二完全冷却出口和精馏塔i9底部的原料空气进口连接，主换热器6第二完全冷却出口和精馏塔i9底部的原料空气进口的连接管路上设有节流阀；

精馏塔i9顶部的氮气出口和冷凝蒸发器i10连接，冷凝蒸发器i10的液氮出口分别和精馏塔i9顶部、过冷器13连接，过冷器13和冷箱外液氮储罐连接，过冷器13和冷箱外液氮储罐的连接管路上设有节流阀；

精馏塔i9底部的液空出口和过冷器13连接，过冷器13和冷凝蒸发器i10连接，过冷器13和冷凝蒸发器i10的连接管路上设有节流阀，冷凝蒸发器i10的富氧空气出口、冷凝蒸发器i10的液空出口分别和精馏塔ii11底部的原料进口连接；

精馏塔ii11顶部的低压氮气出口和冷凝蒸发器ii12连接，冷凝蒸发器ii12的低压液氮出口分别和精馏塔ii11顶部、冷箱外液氮储罐连接；

精馏塔ii11底部的富氧液空出口和冷凝蒸发器ii12连接，精馏塔ii11底部的富氧液空出口和冷凝蒸发器ii12的连接管路上设有节流阀，冷凝蒸发器ii12的污氮气出口和过冷器13连接，过冷器13和主换热器6连接，主换热器6部分复热出口和第二膨胀机8连接，第二膨胀机8和主换热器6连接，主换热器6分别和冷箱外放空管道、电加热器5连接，电加热器5和交替使用的分子筛吸附器4连接。

上述各部件的功能如下：

过滤器1，用于过滤原料空气中的灰尘和机械杂质；

透平空气压缩机2，用于将过滤后的原料空气压缩到设定压力；

空气预冷机组3，用于将过滤、压缩后的原料空气预冷；

交替使用的分子筛吸附器4，用于将过滤、压缩、预冷后的原料空气纯化，去除水分、co2、c2h2等物质；

电加热器5，用于加热污氮气以再生分子筛吸附器4；

主换热器6，用于将纯化后的原料空气和循环增压后空气冷却，将经过冷器13复热后的污氮气部分复热，将第一膨胀机7膨胀后的空气、第二膨胀机8膨胀后的污氮气复热；

第一膨胀机7，用于将主换热器6第三部分冷却出口的部分冷却空气膨胀，制取冷量；

第二膨胀机8，用于将经过冷器13、主换热器6部分复热的污氮气膨胀，制取冷量；

精馏塔i9，用于将原料空气精馏而分离为氮气和液空；

冷凝蒸发器i10，用于氮气和液空换热，氮气被液化为液氮，液空被汽化为富氧空气；

精馏塔ii11，用于将富氧空气和液空精馏而分离为低压氮气和富氧液空；

冷凝蒸发器ii12，用于低压氮气和富氧液空换热，低压氮气被液化为低压液氮，富氧液空被汽化为污氮气；

过冷器13，用于液空、液氮过冷，用于污氮气复热；

冷冻机组14，用于主换热器6第一部分冷却出口、第二部分冷却出口的部分冷却空气冷却；

循环空压机15，用于将经第一膨胀机膨胀、主换热器复热后的空气循环增压。

一种低能耗液氮制取工艺，包括如下步骤：

步骤一、将原料空气经过滤器1过滤掉灰尘和机械杂质后，进入透平空气压缩机2将空气压缩到设定压力1.0-1.3mpa；之后经空气预冷机组3预冷至5-8℃后进入交替使用的分子筛吸附器4中纯化，去除水分、co2、c2h2等物质；

步骤二、将纯化后的原料空气和循环增压后空气汇合，一小部分用于仪表空气(图中未示意出)，其余分成两股，一股进入主换热器6部分冷却到约251k，抽出，经低温冷冻机14冷却后，引入主换热器6继续冷却至饱和温度并带有一定的含湿后进入精馏塔i9底部参与精馏；另一股经第一膨胀机增压端7-1增压后引入主换热器6部分冷却到约251k，抽出，经低温冷冻机14冷却后，引入主换热器6继续冷却，引出一部分空气进入第一膨胀机7膨胀，膨胀后空气经主换热器6复热后出冷箱，引入循环空压机15，循环增压后和纯化后的原料空气汇合以循环利用，另一部分空气继续冷却至饱和温度后节流进入精馏塔i9底部参与精馏；

步骤三、空气经精馏塔i9精馏后分离为氮气和液空，氮气引入冷凝蒸发器i10和液空换热，压力氮气被冷凝为液氮，部分液氮引入精馏塔i9作为回流液，其余部分液氮过冷、节流后作为产品液氮；液空经过冷、节流后进入冷凝蒸发器i10和氮气换热，液空被汽化为富氧空气，富氧空气和未被汽化的部分液空引入精馏塔ii11参与精馏；

步骤四、富氧空气和液空经精馏塔ii11精馏后分离为低压氮气和富氧液空，低压氮气引入冷凝蒸发器ii12和富氧液空换热，低压氮气被冷凝为低压液氮，部分低压液氮引入精馏塔ii11作为回流液，其余部分低压液氮作为产品液氮；富氧液空节流后引入冷凝蒸发器ii12和低压氮气换热，富氧液空被汽化为污氮气，污氮气经过冷器13、主换热器6部分复热后引入第二膨胀机8膨胀，膨胀后进入主换热器6复热，复热后出冷箱，部分作为再生气由电加热器5加热后引入交替使用的分子筛吸附器4，其余放空。