1.本发明涉及的是一种使用单个精馏塔生产纯氮的装置及其使用方法，更具体的说，通过带冷凝器及蒸发器的精馏塔、循环氮气压缩机与膨胀机组的高效耦合来生产大量液氮与多规格氮气的节能方法与装置。
背景技术：2.氮气占大气组分的78%左右，其性质不活泼，具有化学惰性，是一种应用领域广泛的工业气体，被广泛应用在化工生产、装备制造、食品保鲜、激光切割等领域。目前的纯氮生产设备主要采用低温精馏方法，低温精馏分离作为空分领域应用范围最广的方法已有上百年的历史，目前广泛应用于冶金、化工、玻璃、电子等各个行业领域。
3.随着各行各业技术的快速发展，生产过程中对氮气的需求量迅速增加。同时伴随着产业多元化的发展趋势，生产工艺的多样化也导致生产对氮气产品的规格需求也越来越多，大量终端用户对氮气的需求量较少，纯度要求又极高。因此，能够适应大量及多规格氮气提取，同时能大量生产方便运输的纯液氮，并能有效降低能耗的空分设备工艺流程应用前景广泛。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种使用单个精馏塔生产纯氮的装置及其使用方法，此方法可以大幅度提高精馏塔的提取率，减小原料气体的加工量，从而有效降低氮气制备的能耗。本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：一种使用单个精馏塔生产纯氮的装置，该装置由空压机、预冷纯化系统，循环氮气增压机、高低温膨胀机制冷系统及冷箱系统组成，所述空压机前方设有空气过滤器，后方设置预冷纯化系统，空气通过空气过滤器进入空气透平压缩机内压缩至约4.5bar后，送入预冷纯化系统。空气在预冷纯化系统内经空冷塔冷却，分子筛除杂后，进入冷箱系统。空气经板式换热器冷却至接近饱和后，进入低温精馏塔精馏后获得低压氮气及液空，该股低压氮气通过换热器复热出冷箱，一部分作为产品，一部分进入循环氮气压缩机。氮气经循环氮气压缩机加压后，一部分作为产品，一部分作为增压氮气量去膨胀机增压端继续增压，最后一部分返回换热器作为膨胀量。
5.作为优选：所述低压精馏塔顶部设置1台冷凝器，空气从低压精馏塔中下部进入参与精馏。精馏后在低压精馏塔顶部获得氮气，在低压精馏塔底部获得低压富氧液空，富氧液空节流至常压后送入塔顶冷凝器的蒸发侧，与低压精馏塔顶部的低压氮气换热后气化得到污氮气，污氮气经板式复热出冷箱后放空。
6.作为优选：所述低压精馏塔底部设置1台蒸发器，空气从低压精馏塔中下部进入参与精馏。精馏后在低压精馏塔顶部获得氮气，在低压精馏塔底部获得低压富氧液空，底部富氧液空与循环氮气增压机一级叶轮后抽取，冷却至接近饱和的氮气换热，蒸发得到参与精馏的上升气。
7.作为优选：所述低压精馏塔顶部生产的低压氮气经板式换热器复热至常温后出冷
箱，分为两部分：一部分直接作为产品气送出，一部分进入循环氮气压缩机。
8.作为优选：所述去循环氮气增压机的低压氮气增压后分为四部分，第一部分从增压机一级叶轮后中抽后分为两股，一股作为低压精馏塔底部蒸发器的热源，一股中抽作为产品（也可不抽）；第二部分从末级抽出作为产品（也可不抽）；第三部分从末级抽出返回换热器作为高温膨胀量，经板式换热器冷却后去高温膨胀机膨胀端膨胀后，返流回板式换热器复热出冷箱后去循环氮压机入口；第四部分去膨胀机增压端继续增压；作为优选：所述去膨胀机增压端继续增压的氮气经过低温膨胀机增压端及低温膨胀机增压端后冷却器增压冷却后，继续进入高温膨胀机增压端及高温膨胀机增压端后冷却器增压冷却后分为两股，一股作为高压氮气去板式换热器，冷却后从冷端抽出，节流进入气液分离器。一股作为低温膨胀量去板式换热器，冷却后从板式下段抽出，去低温膨胀机膨胀端，膨胀后带液氮气去气液分离器。
9.作为优选：所述经气液分离器分离的氮气及液氮，氮气返流回板式换热器，复热出冷箱后去循环氮压机入口。液氮则分为两股，一股去低压精馏塔顶部参与精馏，提高提取率。一股去液氮自过冷器，所述污氮气经板式换热器复热后出冷箱，分为两股，一股作为分子筛再生气源去再生加热器，一股作为水冷塔用污氮气。
10.一种使用单个精馏塔生产纯氮的装置的使用方法，包括如下步骤：a) 来自大气的原料空气作为原料气体，经过空气透平压缩机增压，得到高温气体；高温气体经预冷纯化系统冷却吸附后，得到低压空气；b）低压空气进入冷箱内的主换热器，被返流气体冷却至饱和温度后进入低压精馏塔参与精馏；c）经低压精馏塔精馏后，在低压精馏塔顶部获得低压氮气，在低压精馏塔底部获得富氧液空；富氧液空节流至常压，送入冷凝蒸发器蒸发侧；低压氮气直接进入主换热器，与正流低压空气进行热交换，复热到常温后送出冷箱；d）进入冷凝蒸发器蒸发侧的富氧液空与精馏塔顶部的低压氮气换热后汽化的到污氮气，污氮气送入主换热器复热后出冷箱，一部分去分子筛作为再生气源，一部分去水冷塔冷却循环水。
11.e）出冷箱低压氮气一部分作为低压氮气产品，其余去循环氮气压缩机继续增压；f）低压氮气经循环氮气压缩机压缩后，分为四部分： 第一部分从循环氮压机第一级叶轮后抽出（约10公斤）后分为两股，一股作为低压氮气产品送入用户产品氮气管网，一股作为低压精馏塔底部蒸发器热源氮气去板式换热器，冷却至饱和后从板式换热器冷端抽出，去低压塔底部蒸发器，与低压塔底部富氧液空换热后冷凝为液氮，送入低压塔顶部。
12.第二部分从增压机末级抽出（约30公斤）作为中压氮气产品送入用户管网；第三部分作为高温膨胀量去板式换热器，与返流污氮换热后，从换热器上部抽出去膨胀机膨胀端，膨胀后的氮气返流回板式换热器，复热至常温后出冷箱，去循环氮气压缩机继续增压。
13.第四部分作为继续增压氮气去低温膨胀机增压端增压后，经低温膨胀机增压端后冷却器冷却至常温后，继续去高温膨胀机增压端增压，经高温膨胀机增压端后冷却器冷却至常温后，进入板式换热器与返流气体换热。
14.g）出高温膨胀机增压端后冷却器的高压氮气分为两股：第一股作为低温膨胀量经
板式换热器冷却后，从换热器下部抽出去低温膨胀机膨胀端，膨胀后的带液氮气进入气液分离器。
15.第二股作为高压氮气经板式换热器冷却后，从换热器底部抽出节流后进入气液分离器。
16.h）经气液分离器分离后，得到气相氮气与液相液氮，气相氮气与出低压精馏塔氮气汇合去板式换热器冷端，复热至常温后去循环氮压机加压。液相液氮分为两部分，一部分作为回流液氮，去回低压精馏塔参与精馏。一部分去液氮过冷器，过冷后的液氮分为两部分，一部分作为液氮产品，一部分作为过冷器冷源氮气节流至常压，返流与液氮换热后，与污氮气并流。
17.i）污氮气经板式换热器复热后出冷箱，分为两股，一股作为分子筛再生气源去再生加热器，一股作为水冷塔用污氮气去水冷塔。
18.作为优选：所述精馏系统中的低压精馏塔与顶部的冷凝器及底部的蒸发器耦合以实现热量交换，从而保持精馏段和提馏段的液气比可控，大大提高了低压精馏塔的提取率，冷凝器的冷源来自于节流至常压的低压精馏塔底部的富氧液空，蒸发器的热源来自于循环氮气增压机一级叶轮后抽取，经板式换热器冷却至接近饱和的氮气；作为优选：所述去膨胀机增压端的氮气可从循环氮压机中抽或从末级抽取。如需要大量超过30公斤的高压氮气，去膨胀机增压端的氮气可从循环氮压机中抽。
19.作为优选：如需要少量超过30公斤且不超过65公斤的氮气产品，可直接从低温膨胀机增压端抽取或从高温膨胀机增压端抽取。
20.作为优选：所述送入循环氮气增压机的增压氮气可全部从末级抽出，也可根据产品需求选择从循环氮气增压机中部抽出所需压力等级的氮气产品。
21.本发明具有以下特点：1）本发明通过精馏系统中的低压精馏塔与一台低压冷凝器及一台中压蒸发器耦合以实现精馏塔与二者的热量交换，从而保持精馏过程的稳定进行。本发明利用与低压精馏塔耦合的蒸发器及冷凝器，实现低压精馏塔精馏段与提馏段的液气比调整。大大提高低压精馏塔的精馏效率，提高氮提取率。
22.2）本发明氮气产品规格多样化，根据下游工艺的需要，通过循环氮气压缩机及膨胀机组的系统的耦合，可生产多种规格的氮气。
23.4）本发明通过膨胀机组的系统的耦合，可选择单台中压膨胀机或一台中压膨胀机和一台低压膨胀机的配置形式，同时调整膨胀量，可根据工艺需求在极大范围内调整液氮产品的产量。
24.5）本发明为单塔制氮精馏系统，精馏系统与压缩机组与膨胀机组的匹配简洁，调整灵活。
25.本发明采用的单塔精馏方法能够有效提高单塔制氮装置的提取率，减少制氮装置的能耗。在流程布置方面更是有极大的自由度，可根据不同气体和液体氮产品的规格对循环氮气压缩机及膨胀机组进行优化配置，达到最佳能耗点。单个精馏塔操作灵活，调整快捷的特点也得到保留。
附图说明
26.图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明作详细的介绍：如图1所示，一种使用单个精馏塔生产纯氮的装置，该装置由空冷塔4、水冷塔5、低压精馏塔15组成，所述空冷塔4前方设有空气透平压缩机3，空气通过空气过滤器2进入空气透平压缩机3内压缩至4.5bar，空冷塔与水冷塔之间均设有连接管道，在空冷塔的上方设有分子筛吸附器12，分子筛吸附器12与板式换热器14连接，该板式换热器与低压精馏塔15连接，所述低压精馏塔15分别与去循环氮气增压机21、污氮加热装置38、中压增压透平膨胀机、冷凝蒸发器22连接。
28.所述空冷塔4和水冷塔5内均设有与外部连接的冷却水，其中空冷塔4中的冷却水由冷却水泵7增压后进入空冷塔下段，冷水塔5中的冷却水与返流污氮气8换热后，经冷冻水泵9增压，经冷水机组10降温后进入空冷塔上段中。
29.所述低压精馏塔底部获得低压富氧液空17，富氧液空17节流至常压后送入冷凝蒸发器22的蒸发侧，与低压精馏塔15顶部的低压氮气换热后气化得到污氮气23，低压氮气16经板式换热器14复热至常温后出冷箱，分为两股：一股去膨胀机增压端18继续增压至5-6公斤，进入增压端后冷却器19，冷却至常温后作为低压氮气产品20送入用户产品氮气管网；一股去循环氮气压缩机21继续增压。
30.所述去循环氮气增压机21的低压氮气增压至约40公斤后分为两部分，一部分作为中压氮气产品24送入用户管网中，一部分作为中压膨胀量25去板式换热器14与返流污氮换热后，从换热器中部抽出去膨胀机膨胀端26，膨胀后的带液氮气27送入气液分离器28，分离得到液氮29和低压氮气30。
31.所述液氮29分为两部分，一部分作为回流液氮31，返流回低压精馏塔参与精馏，一部分去液氮过冷器32，过冷后的液氮33分为两部分，一部分作为液氮产品34，一部分作为过冷器冷源氮气35节流至常压，返流与液氮32换热后，与污氮气23并流得到污氮气36。
32.所述污氮气36经板式换热器14复热后出冷箱，分为两股，一股作为分子筛再生气源37去再生加热器38，一股作为水冷塔用污氮气8。
33.一种使用单个精馏塔生产纯氮的装置的使用方法，包括如下步骤：a) 来自大气的原料空气作为原料气体，经过空气透平压缩机增压，得到高温气体；高温气体经预冷纯化系统冷却吸附后，得到低压空气；b）低压空气进入冷箱内的主换热器，被返流气体冷却至饱和温度后进入低压精馏塔参与精馏；c）经低压精馏塔精馏后，在低压精馏塔顶部获得低压氮气，在低压精馏塔底部获得富氧液空；富氧液空节流至常压，送入冷凝蒸发器蒸发侧；低压氮气直接进入主换热器，与正流低压空气进行热交换，复热到常温后送出冷箱。
34.d）进入冷凝蒸发器蒸发侧的富氧液空与精馏塔顶部的低压氮气换热后汽化的到污氮气，污氮气送入主换热器复热后出冷箱，一部分去分子筛作为再生气源，一部分去水冷塔冷却循环水。
35.e）出冷箱低压氮气一部分去膨胀机增压端增压后作为低压氮气产品，其余去循环
氮气压缩机继续增压；f）低压氮气经循环氮气压缩机压缩后，从末级抽出并冷却后，一部分作为中压氮气产品，一部分送入主换热器，与返流气体换热后从换热器中部抽出，去中压膨胀机膨胀端膨胀后送入汽液分离器，分离得到低压氮气和低压液氮。
36.g）分离得到的低压氮气与下塔顶部抽取的低压氮气并流后去主换热器复热，分离得到的低压液氮一部分送入下塔顶部参与精馏，一部分作为产品液氮，送入液氮过冷器，与返流的常压氮气换热后出冷箱；h）液氮过冷器中返流的常压氮气由产品液氮中抽取一部分节流至常压获得，出过冷器的常压氮气与冷凝蒸发器蒸发侧的常压污氮气并流，去主换热器复热出冷箱；作为优选的实施例：精馏系统中的低压精馏塔与冷凝蒸发器耦合以实现二者的热量交换，从而保持精馏过程的稳定进行，冷凝蒸发器的冷源来自于节流至常压的低压精馏塔底部的富氧液空。
37.作为优选的实施例：复热出冷箱的低压氮气可抽取一部分去膨胀机增压端增压后作为低压氮气产品，也可利用增压端制动电机回收膨胀产生的能量，生产电能。
38.作为优选的实施例：根据氮气产品规格需求，去膨胀机增压端的氮气可从循环氮压机中抽或从末级抽取，增压后的氮气经冷却后，可作为产品或送入板式换热器，中抽去膨胀机；作为优选的实施例：复热出冷箱的低压氮气可从换热器中部抽取一部分送入低压氮气膨胀机，膨胀至接近常压后返流回主换热器复热出冷箱，作为常压氮气产品，低压膨胀机增压端可根据产品需求与机型匹配选择电回收亦或是增压氮气获得氮气产品；作为优选的实施例：送入循环氮气增压机的增压氮气可全部从循环氮气增压机末级抽出，也可根据产品需求选择从循环氮气增压机中部抽出所需压力等级的氮气产品，中压膨胀机膨胀端的气源也可根据产品需求选择从循环氮气增压机中抽；一种使用单个精馏塔生产纯氮的装置及其使用方法，所述的装置包括：一用于获得压缩空气的原料空气压缩系统，该系统包括1台空气透平压缩机，1台原料空气过滤器；一用于获得压缩氮气的循环氮气压缩系统，该系统包括1台循环氮气增压压缩机；一用于原料空气冷却与吸附的预冷纯化系统，该系统包括1台水冷塔，1台空冷塔，2台分子筛及1套再生污氮气加热装置； 一用于整个低温精馏装置冷量制取的膨胀制冷系统，该系统至少包括1台高温增压透平膨胀机及1台低温增压透平膨胀机及其增压端后冷却器； 一用于获得产品气体的低温精馏系统，该系统包括1套低温换热器，1台低压精馏塔，1台冷凝器，1台蒸发器； 一用于实现整个装置运行的自动控制系统，包括1套dcs系统，1套阀门，1套测量仪表和1套组分在线分析仪表。
39.实施例：图1所示为一套采用单塔氮循环制氮法生产多种规格氮气及大量液氮产品的一种具体实施例，图中所示：来自大气的原料空气1（其组分含量约o2：20.95%，ar：0.932%，n2：78.118%）经空气过滤器2滤去大颗粒杂质后被供给原料空气透平压缩机3（后称空压机），在其中被压缩至约4.5bar（绝对压力，下同）的压力，然后送入空冷塔4冷却至约12℃。
40.空冷塔4下段和水冷塔5的循环冷却水6来自公用工程系统，空冷塔4下段冷却水由
冷却水泵7增压后进入空冷塔下段，空冷塔4上段冷冻水由循环冷却水6经水冷塔5，与返流污氮气8换热后，经冷冻水泵9增压，经冷水机组10降温后进入空冷塔上段。
41.冷却后的低压空气11进入分子筛吸附器12，吸附h2o，co2等杂质后得到低压空气13，直接送入板式换热器14冷却至接近饱和温度后出板式换热器14进入低压精馏塔15中部参与精馏。
42.经低压精馏塔15精馏后，在低压精馏塔顶部获得低压氮气16，在低压精馏塔底部获得低压富氧液空17。富氧液空17节流至接近常压后送入冷凝器18的蒸发侧，与低压精馏塔15顶部的低压氮气换热后气化得到污氮气19。低压氮气16经板式换热器14复热至常温后出冷箱，分为两股：一股作为低压氮气产品20（约4公斤）送入用户产品氮气管网；一股去循环氮气增压机21继续增压。
43.去循环氮气增压机21的低压氮气增压后分为四部分；第一部分从循环氮压机第一级叶轮后抽出（约10公斤）后分为两股，一股作为低压氮气产品22送入用户产品氮气管网，一股作为蒸发器热源氮气23去板式换热器14冷却至饱和后从板式换热器冷端抽出，去低压塔底部蒸发器，与低压塔底部富氧液空换热后冷凝为液氮25，节流后送入低压塔顶部。
44.第二部分从增压机末级抽出（约30公斤）作为中压氮气产品26送入用户管网；第三部分作为高温膨胀量27去板式换热器14与返流污氮换热后，从换热器上部抽出去高温膨胀机膨胀端28，膨胀后的低压氮气29返流回板式换热器14复热至常温后出冷箱，去循环氮气压缩机21增压。
45.第四部分作为继续增压氮气30去低温膨胀机增压端31增压后，送入低温膨胀机增压端后冷却器32冷却至常温，继续去高温膨胀机增压端33增压后，送入高温膨胀机增压端后冷却器34冷却至常温，此时压力约为65公斤，进入板式换热器14与返流气体换热后，分为两股。
46.第一股作为低温膨胀量35经板式换热器14冷却后，从换热器下部抽出去低温膨胀机膨胀端36，膨胀后的带液氮气37进入气液分离器38。
47.第二股作为高压氮气39经板式换热器14冷却后，从换热器冷端抽出节流后进入气液分离器38。
48.经气液分离器38分离后，得到气相氮气40与液相液氮41，气相氮气40与出低压塔氮气16汇合去板式换热器14冷端，复热至常温后去循环氮压机21加压。液相液氮41分为两部分，一部分作为回流液氮42，返流回低压精馏塔参与精馏。一部分去液氮过冷器43，过冷后的液氮44分为两部分，一部分作为液氮产品45，一部分作为过冷器冷源氮气46节流至常压，返流与液氮换热后，与污氮气19并流得到污氮气47。
49.污氮气47经板式换热器14复热后出冷箱，分为两股，一股作为分子筛再生气源48去再生加热器49，一股作为水冷塔用污氮气8。
50.本发明提供一种可以实施的适合于需要多种规格氮气（4bar(a)/10bar(a)/30bar(a)）及大量液氮的单塔氮气循环低温精馏制氮方法。该方法克服了现有的单塔精馏法制氮装置在制取氮气时，氮气的提取率较低，规格较为单一，能耗较高的不足，调整了精馏塔的液气比值，充分利用了精馏塔的分离能力，大幅提制氮空分装置的提取率，从而显著降低单位产品的能耗指标。