本发明涉及低温精馏技术领域，具体涉及一种海上平台或船用低温精馏液氮制备装置及方法。
背景技术：
大吨位的新型船舶需要高纯度、低露点、高压力的氮气，最高需求纯度达到99.999％，故需设计氮气系统，并且在船上实现生产、高压存储、转注输送和减压使用的功能。海水平台和船舶上空间狭小，而海上航行带来的振动与冲击、高空气湿度，以及存在油雾、盐雾和霉菌等一系列特定的环境条件，使得气体系统的总体设计存在较大难度。
实现海上平台和船用液氮产品制备是解决船上氮气产品储用困难、占地面积大等问题的必由之路。低温精馏技术不仅可以生产99.999％纯度以上的氮气，还可以实现液氮产品的制备。低温精馏技术的原理是氮组分的沸点低，更容易挥发进入气相中，而氧组分的沸点高，大多留在液相中，故而经过多次精馏，重复进行气、液相分离和气相的部分冷凝，实现空气的氧氮分离。海上平台和船用条件下设备高度的严格要求限制了低温精馏装置的应用，同时海上平台和船用条件所带来的倾斜与摇摆工况也对传统的精馏装置造成了很大不利影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑、高效节能的海上平台或船用低温精馏液氮制备装置及方法。
本发明采用的技术方案为：一种海上平台或船用低温精馏液氮制备装置，包括空压机组、预冷纯化系统、液氮制备低温冷箱和液氮储用气化器，其中，所述空压机组设置有空气进口与压缩空气出口，所述预冷纯化系统设置有压缩空气进口、原料空气出口和污氮再生气进口，所述液氮制备低温冷箱设置有原料空气进口、第一液氮产品出口、第二液氮产品出口与污氮再生气出口，所述液氮储用气化器设置有液氮产品进口与氮气产品出口；所述空压机组的空气进口与空气源连通，空压机组的压缩空气出口与预冷纯化系统的压缩空气进口连通，预冷纯化系统的原料空气出口与液氮制备低温冷箱的原料空气进口连通，液氮制备低温冷箱的污氮再生气出口与预冷纯化系统的污氮再生气进口连通，液氮制备低温冷箱的第一液氮产品出口和第二液氮产品出口均分别与液氮储用气化器的液氮产品进口连通，液氮储用气化器的氮气产品出口与后续供氮管路连通。
按上述方案，所述液氮制备低温冷箱包括第一制氮精馏塔和第二制氮精馏塔；在第一制氮精馏塔塔底设置有第一原料进口和第一液空出口，塔顶设置有第一冷凝器、第一液空进口、第一污氮出口、第一氮气出口以及第一返流液氮进口；第二制氮精馏塔塔底设置有第二原料进口与第二液空出口，塔顶设置有第二冷凝器、第二液空进口、第二污氮出口、第二氮气出口以及第二返流液氮进口；第一制氮精馏塔的第一原料进口与原料空气出口连通；第一氮气出口经侧部管道与第一冷凝器的内部连通，第一氮气出口与第二原料气进口连通；第一液空出口分别与第一液空进口和第二液空进口连通；第一污氮出口与污氮再生气进口连通，第一冷凝器内部经第一截止阀与第一液氮产品出口连通，第一冷凝器内部与第一返流液氮进口连通；第二制氮精馏塔的第二原料进口经第二截止阀与第一氮气出口连通，第二液空出口与第二冷凝器外侧的第二液空进口连通，第二污氮出口与污氮再生气出口连通；第二氮气出口经侧部管道与第二冷凝器的内部连通，第二冷凝器的内部与第二液氮产品出口连通；第二冷凝器内部与第二返流液氮进口连通。
按上述方案，所述装置还配置有主换热器、过冷器和透平膨胀机，所述原料空气进口与主换热器的热源入口连通，主换热器的热源出口与第一原料进口连通；所述主换热器的冷源出口与污氮再生气出口连通，所述主换热器的冷源入口与透平膨胀机的出口连通，透平膨胀机的入口分别与第一原料进口和过冷器的冷源出口连通，过冷器的冷源入口分别与第一污氮出口和第二污氮出口连通；过冷器的热源入口与第一液空出口连通；过冷器的热源出口分别通过管道与第一液空进口、第二液空进口和第二液空出口连通。
本发明还提供了一种如上所述液氮制备装置制备液氮的方法，该方法为：正常工况下，第一截止阀部分打开而第二截止阀全闭，原料空气进入第一制氮精馏塔进行精馏；海上平台或船舶摇摆与倾斜工况下，第一截止阀全闭而第二截止阀部分打开，第二制氮精馏塔参与精馏，第一液氮产品出口的液氮作为回流液返回第一制氮精馏塔塔体，第一氮气出口引出的氮气部分进入第一冷凝器，其余部分进入第二制氮精馏塔，在第二制氮精馏塔塔体内上升的同时氮组分纯度上升，升至塔顶成为高纯氮气，随后进入第二冷凝器内侧；同时，自第一液空出口引出的液空回热降温，部分节流后进入第一液空进口，其余部分节流后进入第二冷凝器外侧，与高纯氮气在第二冷凝器内进行热交换，液空气化为液空后汇入第一污氮出口，高纯氮气在第二冷凝器内冷凝为高纯液氮，部分自第二液氮产品出口引出作为高纯产品，其余部分作为回流液返回第二制氮精馏塔。
正常工况下，第一截止阀部分打开而第二截止阀全闭，原料空气进入液氮制备精馏冷箱；海上平台或船舶摇摆与倾斜工况下，第一截止阀全闭而第二截止阀3部分打开，第二制氮精馏塔参与精馏，第一液氮产品出口的液氮作为回流液返回第一制氮精馏塔塔体，第一氮气出口引出的氮气部分进入第一冷凝器，其余部分进入第二制氮精馏塔，在第二制氮精馏塔塔体内上升的同时氮组分纯度上升，升至塔顶成为高纯氮气，随后进入第二冷凝器内侧；同时，自第一液空出口引出的液空回热降温，部分节流后进入第一液空进口，其余部分节流后进入第二冷凝器外侧，与高纯氮气在第二冷凝器内进行热交换，液空气化为液空后汇入第一污氮出口，高纯氮气在第二冷凝器内冷凝为高纯液氮，部分自第二液氮产品出口引出作为高纯产品，其余部分作为回流液返回第二制氮精馏塔。
本发明的有益效果为：本发明所述装置在海上平台和船用摇摆与倾斜工况下，引入了二级精馏，弥补了原有系统精馏能力的损失，第一制氮精馏塔采用筛板塔结构在严格的高度限制下实现了更高的有效塔板数，第二制氮精馏塔采用填料塔结构实现了变工况条件下更好的适应性，节能高效，在提高产品提取率和产品纯度的同时，提高了系统抵抗海上平台和船用环境下倾斜与摇摆工况的能力，保证了系统的正常运行；本发明与传统的海上平台和船用氮气供给装置相比，实现了液态氮产品的制备与储用，结构紧凑，省去了氮气系统所需的繁琐检验工序与高昂的运维成本，具有较高的社会经济效益。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的整体流程示意图。
图2为本实施例中液氮制备低温冷箱的结构示意图。
其中：1-空压机组；1-1-空气进口；1-2-压缩空气出口；2-预冷纯化系统；2-1-压缩空气出口；2-2-原料空气出口；2-3-污氮再生气进口；3-液氮制备低温冷箱；3-1-原料空气进口；3-2-第一液氮产品出口；3-3-第二液氮产品出口；3-4-污氮再生气出口；3-5-主换热器；3-6-过冷器；3-7-第一制氮精馏塔；3-7-1-第一原料进口；3-7-2-第一液空出口；3-7-3-第一冷凝器；3-7-4-第一液空进口；3-7-5-第一污氮出口；3-7-6-第一氮气进口；3-7-7-第一返流液氮进口；3-8-第二制氮精馏塔；3-8-1-第二原料进口；3-8-2-第二液空出口；3-8-3-第二冷凝器；3-8-4-第二液空进口；3-8-5-第二污氮出口；3-8-6-第二氮气出口；3-8-7-第二返流液氮进口；3-9-透平膨胀机；3-10-第一节流阀；3-11-第二节流阀；3-12-第三节流阀；3-13-第四节流阀；3-14-第一截止阀；3-15-第二截止阀；3-16-第三截止阀；3-17-第四截止阀；3-18-第五截止阀；3-19-第六截止阀；4-液氮储用气化器；4-1-液氮产品进口；4-2-氮气产品出口。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所述的海上平台或船用低温精馏液氮制备装置，包括空压机组1、预冷纯化系统2、液氮制备低温冷箱3和液氮储用气化器4，其中所述空压机组1设置有空气进口1-1与压缩空气出口1-2，所述预冷纯化系统2设置有压缩空气进口2-1、原料空气出口2-2和污氮再生气进口2-3，所述液氮制备低温冷箱3设置有原料空气进口3-1、第一液氮产品出口3-2、第二液氮产品出口3-3与污氮再生气出口3-4，所述液氮储用气化器4设置有液氮产品进口4-1与氮气产品出口4-2；所述空压机组1的空气进口1-1与空气源连通，空压机组1的压缩空气出口1-2与预冷纯化系统2的压缩空气进口2-1连通，预冷纯化系统2的原料空气出口2-2与液氮制备低温冷箱3的原料空气进口3-1连通，液氮制备低温冷箱3的污氮再生气出口3-4与预冷纯化系统2的污氮再生气进口2-3连通，液氮制备低温冷箱3的第一液氮产品出口3-2和第二液氮产品出口3-3均分别与液氮储用气化器4的液氮产品进口4-1连通，液氮储用气化器4的氮气产品出口4-2与后续供氮管路连通。工作时，所述空压机组1与预冷纯化系统2提供清洁的高压原料气，随后原料气进入低温冷箱3内进行精馏氧氮分离，产出的液氮产品在液氮储用气化器4中贮存并在气化后供给使用。本实施例中，所述空压机组1、预冷纯化系统2和液氮储用气化器4均为现有技术，这里不再赘述。原料空气进入空压机组1经压缩压力提高后，在预冷纯化系统2中去除co2、h2o以及c2h2等杂质后，进入液氮制备低温冷箱3，当透平膨胀机3-9采用静压气体轴承进行支承时，预冷纯化系统2出口额外分出一路轴承气支路连接于透平膨胀机3-9。
如图2所示，液氮制备低温冷箱3包括第一制氮精馏塔3-7和第二制氮精馏塔3-8；在第一制氮精馏塔3-7塔底设置有第一原料进口3-7-1与第一液空出口3-7-2，塔顶设置有第一冷凝器3-7-3、第一液空进口3-7-4、第一污氮出口3-7-5、第一氮气出口3-7-6以及第一返流液氮进口3-7-7；第二制氮精馏塔3-8塔底设置有第二原料进口3-8-1与第二液空出口3-8-2，塔顶设置有第二冷凝器3-8-3、第二液空进口3-8-4、第二污氮出口3-8-5、第二氮气出口3-8-6以及第二返流液氮进口3-8-7。本实施例中，第一制氮精馏塔3-7和第二制氮精馏塔3-8的内部结构均为现有技术，这里不再赘述。第一冷凝器3-7-3和第二冷凝器3-8-3的内部均指热源通道，外部均指冷源通道。
所述第一制氮精馏塔3-7的第一原料进口3-7-1与预冷纯化系统2的原料空气出口2-2连通；第一氮气出口3-7-6经侧部管道与第一冷凝器3-7-3的内部连通，第一氮气出口3-7-6与第二原料气进口3-8-1连通；第一液空出口3-7-2分别与第一液空进口3-7-4(为第一冷凝器3-7-3的冷源入口)和第二液空进口3-8-4连通；第一污氮出口3-7-5与预冷纯化系统2的污氮再生气进口2-3连通，第一冷凝器3-7-3内部通过管道与第一液氮产品出口3-2连通(该连通管道上配置有第一截止阀3-14)；第一冷凝器3-7-3内部经管道与第一返流液氮进口3-7-7连通(该连通管道上配置有第三截止阀3-16)。
优选地，第二制氮精馏塔3-8的第二原料进口3-8-1经第二截止阀3-15与第一制氮精馏塔3-7顶部的第一氮气出口3-7-6连通，第二制氮精馏塔3-8底部的第二液空出口3-8-2经第四节流阀3-13分别与第二冷凝器3-8-3外侧的第二液空进口3-8-4(为第二冷凝器3-8-3的冷源入口)连通，第二污氮出口3-8-5经管道与污氮再生气出口3-4连通；第二氮气出口3-8-6经侧部管道与第二冷凝器3-8-3的内部连通，第二冷凝器3-8-3的内部经管道与第二液氮产品出口3-3连通(该连通管道上配置有第五截止阀3-18)；第二冷凝器3-8-3的内部经管道与第二返流液氮进口3-8-7连通(该连通管道上配置有第四截止阀3-17)。
优选地，所述装置还配置有主换热器3-5、过冷器3-6和透平膨胀机3-9，所述原料空气进口3-1与主换热器3-5的热源入口连通，主换热器3-5的热源出口经管道与第一制氮精馏塔3-7的第一原料进口3-7-1连通(该管道上配置有第一节流阀3-10)；所述主换热器3-5的冷源出口与污氮再生气出口3-4连通，所述主换热器3-5的冷源入口与透平膨胀机3-9的出口连通，透平膨胀机3-9的入口分别与第一原料进口3-7-1和过冷器3-6的冷源出口连通，过冷器3-6的冷源入口分别与第一污氮出口3-7-5和第二污氮出口3-8-5连通；过冷器3-6的热源入口与第一液空出口3-7-2连通；过冷器3-6的热源出口分别通过管道与第一液空进口3-7-4、第二液空进口3-8-4和第二液空出口3-8-2连通(在过冷器3-6的热源出口经第二节流阀3-11与第一液空进口3-7-4连通；过冷器3-6的热源出口经第三节流阀3-12与第二液空进口3-8-4连通，过冷器3-6的热源出口经第三节流阀3-12和第四节流阀3-13与第二液空出口3-8-2连通)。本实施例中，所述主换热器3-5采用三股流低温板翅式结构布置；透平膨胀机3-9热端采用开式循环风机制动；当透平膨胀机3-9采用静压气体轴承进行支承时，预冷纯化系统2的出口额外分出一路轴承气支路连接于透平膨胀机。
一种如上所述液氮制备装置制备液氮的方法，该方法为：
正常工况下(海上平台或船舶不发生摇摆与倾斜时即为正常工况)，第一精馏塔3-7的液氮产品可以达到要求纯度；原料空气自原料空气进口3-1进入液氮制备精馏冷箱3，先在主换热器3-5内回热降温，随后经第一节流阀3-10节流至两相状态后自第一原料进口3-7-1进入第一制氮精馏塔3-7进行精馏，其中气相部分在第一精馏塔3-7塔体内上升的同时氮组分纯度上升，升至塔顶成为高纯氮气，液相部分在塔体内回流至塔底成为液空；塔顶高纯氮气自第一氮气出口3-7-6引出进入第一冷凝器3-7-3内侧，塔底液空自第一液空出口3-7-2引出，先后经过冷器3-6降温与第二节流阀3-11节流后自第一液空进口3-7-4进入第一冷凝器3-7-3外侧；液空与高纯氮气在第一冷凝器3-7-3内进行热交换，液空气化成为污氮自第一污氮出口3-7-5排出，先后经过冷器3-6与主换热器3-5复热回收冷量后进入透平膨胀机3-9内膨胀降温，随后再次经过主换热器3-5回热后自污氮再生气出口3-4排出进入预冷纯化系统2作为再生气；高纯氮气在第一冷凝器3-7-3内冷凝为液氮，部分自第一液氮产品出口3-2引出作为高纯产品，其余部分自第一返流液氮进口3-7-7返回塔体作为回流液，回流液随下降氮组分纯度降低至塔底时成为液空；
摇摆与倾斜工况下，第一精馏塔3-7的有效塔板数下降，此时第一液氮产品出口3-7-8引出的液氮会低于纯度标准，相应地自第一氮气出口3-7-6引出的氮气即成为中等纯度氮气，同样参照图2，倾斜与摇摆工况下第二制氮精馏塔3-8开始参与精馏以弥补第一制氮精馏塔3-7的精馏能力损失；此时第一液氮产品出口3-7-8不再有液氮引出作为产品，所有液氮作为回流液由第一返流液氮进口3-7-7返回第一制氮精馏塔3-7塔体，而第一氮气出口3-7-6引出的中等纯度氮气除部分进入第一冷凝器3-7-3外其余部分由第二原料进口3-8-1进入第二制氮精馏塔3-8进行进一步的精馏提纯；中等纯度氮气在第二制氮精馏塔3-8塔体内上升的同时氮组分纯度进一步上升，升至塔顶成为高纯氮气，随后自第二氮气出口3-8-6引出进入第二冷凝器3-8-3内侧；同时，自第一液空出口3-7-2引出的液空经过冷器3-6回热降温后，除部分经第二节流阀3-11节流后进入第一液空进口3-7-4外，其余部分经第三节流阀3-12节流后自第二液空进口3-8-4进入第二冷凝器3-8-3外侧；液空与高纯氮气在第二冷凝器3-8-3内进行热交换，液空气化为液空自第二污氮出口3-8-5引出后汇入第一污氮出口3-7-5引出的污氮流路，高纯氮气在第二冷凝器3-8-3内冷凝为高纯液氮，部分自第二液氮产品出口3-3引出作为高纯产品，其余部分作为回流液自第二返流液氮进口3-7-7返回第二制氮精馏塔3-8塔体；当第二冷凝器3-8-3冷量不足时，部分塔底液空自第二液空出口3-8-2引出，经第四节流阀3-13节流后由第二液空进口3-8-4进入第二冷凝器3-8-3以补足所需冷量。
正常工况下仅第一制氮精馏塔3-7参与精馏，倾斜与摇摆工况下第二制氮精馏塔3-8同样参与精馏，两种工况的切换通过第一截止阀3-14与第二截止阀3-15的开度变化来实现。正常工况下第一截止阀3-14部分打开而第二截止阀3-15全闭，倾斜与摇摆工况下第一截止阀3-14全闭而第二截止阀3-15部分打开；同时，第一制氮精馏塔3-7的回流比工况可以通过改变第一截止阀3-14与第三截止阀3-16的开度进行调节，相应地第二制氮精馏塔3-8的回流比工况可以通过改变第四截止阀3-17与第五截止阀3-18的开度进行调节，灵活的运行模式调节与工况调节使得系统获得了更高的提取率与更低的功耗。另外，当所述装置启动初期液氮制备低温冷箱3内降温缓慢时，第六截止阀3-19开度增大，原料空气进口3-1来流经过主换热器3-5降温后部分引出至透平膨胀机3-9进口，通过增大透平膨胀机3-9气量实现冷量输出的提升，当装置降温至运行工况后第六截止阀3-19关闭，该支路的设置提升了液氮制备低温冷箱3降温初期的冷量产出，加快了装置的降温与精馏塔内液位的初始积累，极大缩短了系统的启动时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为落入本发明的保护范围之内。