专利名称：高纯氮发生装置与方法
技术领域：
本发明涉及不含低沸点组分如氢、氦与氖的高纯氮气的发生装置。
作为氮气发生装置，一直被采用的是借助精馏塔分离空气中的氮气的装置。
在这类装置中，不含水份与二氧化碳的压缩空气通过与有待作为产品被回收的氮气换热而被冷却，随后被导入精馏塔的底部附近以便使其在上升通过精馏浅盘时与回流液逆流接触，从而将富氧液态空气保留在精馏塔底部，同时，回收被收集在精馏塔顶的氮气产品。在上述方法中，存在的缺点是所制得的氮气不适用于半导体工业等领域，其原因在于尽管高沸点组分如氧和烃可以被脱除至亚毫微量水平但是其中仍含有低沸点组分如氢。
作为已经排除了上述缺陷的生产不含低沸点组分的高纯度氮气的装置，有如日本实用新型公开No.10544/1992中介绍的装置，如图7所示。
图7中，编号1代表精馏塔，2为氮气冷凝器，4代表主换热器，6代表膨胀涡轮，21和26分别代表膨胀阀。
进料空气被压缩并且被脱除了水分与CO2。随后，通过管线41被导入主换热器4，在此被有待被释放的富氧废气和有待被作为产物回收的高纯氮气冷却，随后在压力为约9.3kg/cm2G与温度为约-165℃下通过管线42将如此经过冷却的进料空气导入所述精馏塔1的精馏浅盘11的下面。
进料空气在上升通过精馏浅盘11的过程中，与自上向下流动的回流液逆流接触，从而使进料空气中的氧进入回流液体，而回流液体中的氮气蒸发以便被气相捕集。结果是含低沸点组分如氢与氦的氮气在精馏塔1的顶部15得到分离，而富氧液体空气则在塔底16得到分离。
于塔顶15收集的氮气通过管61被送入氮冷凝器2中，通过与富氧液体空气和高纯度液氮进行间接换热被冷却。被冷却并且在氮气冷凝器2中被液化的液氮通过管线62返回至塔顶15并且作为回流液被提供给精馏浅盘11。另外，其中低沸点组分如氢与氦已被浓缩的非冷凝气体通过管线63被释放出该系统。
温度约为-165℃、被收集在精馏塔1的底部16的富氧液态空气通过管线71被送至膨胀阀21，在此通过减压至约3.3kg/cm2G被冷却，随后被送至氮冷凝器2。此时通过与所述氮气进行间接换热被蒸发，成为温度约为-173℃的富氧废气，通过管线73该废气被送往主换热器4。富氧空气于约-115℃由主换热器4被取出并且通过管线74被送往膨胀涡轮6，此处通过减压(约0.3kg/cm2G，-152℃)被冷却并且随后被再送回到主换热器4。在主换热器4中，冷却富氧空气被用于冷却进料空气以便使其温度升至常温，随后通过管线76被释放出该系统。
由作为精馏塔1顶部15下方数个级的精馏浅盘提供的储存器11b通过管线101取出其中杂质含量为亚毫微量的不含低沸点组分的高纯度液氮，通过膨胀阀26其压力被降至约8.5kg/cm2G，随后被送至氮冷凝器2。在此氮气冷凝器2中，被送入的液氮通过与所述氮气间接换热而被蒸发，随后通过管线103被送入主换热器4中，在此主换热器4中被送入的氮气被用于冷却进料空气以便被升温至常温，随后被作为高纯氮气产物通过管线53回收(压力约为8.4kg/cm2G)。
在图7所示的装置中，精馏塔1顶部15中氮气在其冷凝过程中具有的潜热被用作蒸发高纯液氮的热源。为了产生足以蒸发高纯液氮的温差，精馏塔1必须在比高纯氮气产物所需压力高约0.5kg/cm2的压力下操作。因此，由于进料空气被压缩过度而导致能够被浪费。
此外，存在一种只利用进料空气加热与蒸发高纯液氮的方法。作为其实例之一，图8给出了日本实用新型公开No.10545/1992介绍的装置。图7所示的共同部分给出了相同的编号，其说明部分被省略了。
在此实例中，除了主换热器4以外还提供了辅助换热器8b。在将不含低沸点组分的高纯液氮通过管线111由储存器部分11b(被设在作为精馏塔1顶部下面数级的精馏浅盘)取出并且通过膨胀阀28被减压之后，在辅助换热器8b和主换热器4中通过与被送入的进料空气间接换热而被蒸发并且通过管线53作为高纯氮气产物得到回收。
在采用其中进料空气仅被用于蒸发高纯液氮这一方法时，精馏塔1的气体载荷会由于一部分进料空气被液化而降低，而塔顶15中被分离的氮气比值也下降。其结果是，在氮冷凝器2中冷凝的并返回塔顶15的回流液的数量也减少。因此，存在需要设置过量精馏浅盘11与高纯氮气回收率低的问题。
本发明是在考虑了上述问题的前提下完成的，本发明的目的是提供具有良好的能量利用效率和对高纯氮气呈现高回收率的高纯氮发生装置。
本发明的高纯氮发生装置，其中包括用于冷却进料压缩空气的第一换热器；具有精馏浅盘的精馏塔，其中压缩空气由第一换热器被导入所述精馏浅盘的下面以便与回流液体逆流接触，从而使富氧液体空气在底部得到分离，而氮气则在顶部得到分离；用于通过降低压力而冷却被导入的所述富氧液体空气的第一膨胀阀；具有精馏浅盘的组成调节塔，其中所述富氧液态空气由第一膨胀阀被导入所述精馏浅盘上方，富氧液体空气在底部得到分离，而氧与氮的混合气体则在顶部得到分离；氮气冷凝器，用于通过与被收集在所述组成调节塔底的所述富氧液体空气进行间接换热来冷却由精馏塔顶导入的氮气，这样被冷凝的液氮作为回流液被供给精馏塔中精馏浅盘的上方，未冷凝气体被排出；流程中设有膨胀涡轮的排气管线，由组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分回收富氧废气，并且将其导入膨胀涡轮中，通过降压被冷却的富氧废气作为一部分冷却介质被引入第一换热器并且随后被排向外部；具有第一压缩机的第一循环管线，此处一部分所述混合气体由组成调节塔的顶部被送入第一压缩机，如此经过压缩的混合气与进料压缩空气汇合；具有被所述膨胀涡轮驱动的第二压缩机、第二换热器和第二膨胀阀的第二循环管线，其中所述混合气的另一部分由组成调节塔顶被导入第二压缩机中，如此压缩的混合气作为加热介质被导入第二换热器，随后被导入第二膨胀阀以便通过减压被液化，经液化的气体返回组成调节塔的精馏浅盘上方；用于由作为精馏塔顶下方数级的精馏浅盘回收高纯液氮和使被回收的液氮与第二换热器中混合气体换热的气体产物回收管线，其中被蒸发的高纯氮气作为一部分冷却介质被导入第一换热器中，随后作为产物被回收。
下文将描述通过使用上述装置生产高纯氮气的方法。
压缩进料空气并且脱除水份与CO2。随后将进料空气导入第一换热器，于此处被有待被释放的富氧废气冷却，高纯氮气作为产物被回收，如此冷却的进料空气随后被导入精馏塔的精馏浅盘下方。
进料空气在其向上流过精馏浅盘的同时与自上向下流的回流液逆流接触，进料空气中的氧被回流液捕集，而回流液中的氮蒸发以便被气相捕集。其结果是含低沸点组分如氢与氦的氮气在精馏塔顶得到分离而富氧液态空气则在精馏塔底得到分离。
被收集在精馏塔底的富氧液体空气被导入第一膨胀阀，通过减压而被冷却，随后被导入组成调节塔的精馏浅盘上方。一部分富氧液体空气在其上升通过精馏浅盘时被蒸发，从而使氧与氮的混合气体被捕集在组成调节塔的顶部而其中氧浓度进一步提高的富氧液体空气则被捕集在组成调节塔底。
被收集在精馏塔顶的氮气被送入氮气冷凝器，通过与被收集在组成调节塔底的富氧液体空气间接换热而被冷却。如此经过冷却、冷凝的液氮被送回精馏塔的精馏浅盘上方，并且作为回流液供给精馏浅盘。另外，其中低沸点组分如氢与氦得到浓缩的非冷凝气被释放掉。
从组成调节塔的精馏浅盘下方的气相中提出富氧废气并且将其通过排气管线导入膨胀涡轮中。待富氧废气在膨胀涡轮中通过降压而被冷却后，将其导入第一换热器中，此处它被用于冷却进料空气，随后被释放出该系统。
另外，离开组成调节塔顶的一部分混合气通过第一循环管线被引入第一压缩机中，在此其压力升高。此后，压力得到提高的混合气在与进料压缩空气汇合后再次循环。
从组成调节塔顶取出的另一部分混合气通过第二循环管线被导入第二压缩机中，在此处其压力与温度上升。此后，此升压混合气体被作为加热介质导入第二换热器中。这样，该混合气在第二换热器中通过与高纯度液氮换热而被冷却，并且被继续送往第二膨胀阀中，此时，通过降压而被冷却，随后被送回至组成调节塔的精馏浅盘上方。此外，该第二压缩机通过所述膨胀涡轮被驱动。
由作为精馏塔顶之下数级的精馏浅盘取出不含低沸点组分的高纯度液氮，并且将其通过产物气体回收管线导入第二换热器。在此，被导入的液氮通过与所述混合气体间接换热而蒸发。随后被送入第一换热器，在此被送入的氮气被用于冷却进料空气以便升至常温，随后作为高纯氮气产物被回收。
作为上述构造的一种变形，还可以使第二循环管线的构建方式满足这样的要求使取自组成调节塔顶的混合气体通过第二压缩机、第二换热器与第二膨胀阀返回组成调节塔底。
作为上述构建的另一变形，所述第二循环管线的构造满足下列要求使取自组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分的富氧废气通过第二压缩机、第二换热器与第二膨胀阀返回组成调节塔底。
作为上述构建的另一变形，所述第二循环管线的构造满足下列要求使取自组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分的富氧废气通过第二压缩机、第一换热器、第二换热器与第二膨胀阀返回组成调节塔底。
作为上述构造的另一变体，所述第二循环管线的构造满足下列要求一部分取自组成调节塔顶的所述混合气体通过第二压缩机与处在第一换热器中间部分的进料空气汇合。
在上述每一种构造形式中，第二换热器均可以被设置在比高纯液氮被排出精馏塔的位置低10-15m的位置，从而使通过将对应于所述压头差的压力加至精馏塔操作压力得到的压力赋予待输送的高纯氮气。
此外，作为上述每一种构造的变体，为了使其能够发挥效力，该第二换热器由换热器主体和气-液分离器组成，所述气-液分离器在冷却介质侧与换热器的通道并联，所述产物气体的回收管线与气液分离器连接以便在此气液分离器中蒸发高纯液氮。在此构造中，高纯液氮由精馏塔被导入所述气液分离器中，此后，高纯液氮由气-液分离器的液相部分被导入换热器主体以便与所述混合气体或富氧废气间接换热，并且在其一部分蒸发时返回气-液分离器，通过气体产物回收管线回收如此产生的高纯氮气产物。
实施例1
图1所示为本发明实施方案之一。其中1代表精馏塔，2代表氮冷凝器，3为组成调节塔，4为第一换热器，5为第一压缩机(循环压缩机)，6为膨胀涡轮，7为第二压缩机，8为第二换热器，21为第一膨胀阀，22为第二膨胀阀。
精馏塔1中设有精馏浅盘11。精馏塔1上方设有组成调节塔3，后者内设有精馏浅盘31。3的底部含有氮冷凝器2。第一换热器4中具有进料压缩空气通道4b和在冷却侧用作介质的富氧废气、循环气(氧与氮的混合气体)和高纯氮气(产物)的通道(4a、4c、4d)。
进料压缩空气的供给通道4b上设有进料空气压缩机25，分子筛柱26、进料空气供给管线41和第一换热器4，其排布次序为自上游开始。第一换热器4的进料空气通道4b通过管线42连接在精馏塔1的精馏浅盘11的下方。
管线71通入精馏塔1底部16中液相部分。该管71通过膨胀阀21连接在组成调节塔3的精馏浅盘31上方。
精馏塔1的顶部15通过管线61通入氮冷凝器2的进口侧，其出口侧通过管线62与精馏塔1的精馏浅盘11a的上方连接。
用于回收高纯液氮的管线51与作为在精馏塔顶15下方的数级的精馏浅盘上设置的储存器11b连接。所述管线51的另一端连接在第二换热器8上，并且进一步地由此出发通向第一换热器4的高纯氮气通道4d。此外，第二换热器8被设置在一水平位置，该位置处在远离管线51和精馏塔1的连接点的下方，从而使得对应于压头差的压力对第二换热器8内的高纯液氮产生作用。
管线81连接在组成调节塔3的精馏浅盘下方的37处。管线81通过第一换热器4与管线82连接在膨胀涡轮6的进口侧。其出口侧通过管线83与第一换热器4的富氧废气通道4a连接。这样，便形成了排气管线。此外，膨胀涡轮6具有一条平行的旁路84。
组成调节塔3的顶部35通过管线91与第一换热器4的循环气通道4c连接并且由此通过管线92通向第一压缩机5的进口侧。第一压缩机5的出口侧通过管线93通向进料空气供给管线41。这样形成第一循环管线。
由管线91分枝出来的管线95与第二压缩机7的进口侧连接。其出口侧通过管线96在加热介质一侧与第二换热器8的通道连接，由此通过管线97通向第二膨胀阀22，随后由此通向组成调节塔3的精馏浅盘31的上方。这样，形成第二循环管线。此外，第二压缩机7的轴与膨胀涡轮6的轴连接。
下文描述借助上述装置生产高纯氮气的方法。
将借助进料空气压缩机25将压力升至约8.3kg/cm2G得到的进料空气导入分子筛柱26中，此时其中已不含水分与CO2。随后将得到的进料空气通过进料空气供给管线41导入第一换热器4。待进料空气通过待释放的富氧废气和有待作为产物回收的高纯氮气在第一换热器4中被冷却后，在压力为约8.1kg/cm2G，温度约为167℃的状态下将其通过管线42导入精馏塔1的精馏浅盘11下方。
在精馏塔1中，进料空气在其向上通过精浅盘11之时与自上向下流动的回流液逆流接触，致使进料空气中的氧被回流液捕集，而回流液中的氮则蒸发并被气相捕集。其结果是含低沸点组分如氢与氦的氮气(1ppb以下的氧)被分离，进入精馏塔1的顶部15，而富氧液体空气(约30％体积氧)被分离进入精馏塔1的底部16。
被收集在精馏塔1底部16、约为-168℃的富氧液体空气通过管线71被导入第一膨胀阀21，在此通过降压而被冷却。随后，在压力约为2.7kg/cm2G、温度约为-180℃的状态下将所得到的进料空气导入组成调节塔3的精馏浅盘上方。在3中，一部分富氧液体空气在其向下流过精馏浅盘31的过程中被蒸发，从而在塔3的顶部35中收集氧与氮的混合气体(约19％体积氧)，其中氧浓度得到进一步提高的富氧液体空气(约55％体积氧)被收集在塔3的底部36。
被收集在精馏塔1顶部15的氮气通过管线61被送往氮冷凝器2，在此通过与被收集在组成调节塔3底部36的富氧液体空气间接换热而被冷却。如此冷却的冷凝液氮通过管线62被送回精馏塔1中的精馏浅盘11a上方以便作为回流液被供给精馏浅盘。另外，其中低沸点组分如氢与氦已被浓缩的非冷凝气体通过管线63被释放出该系统。
由位于组成调节塔3的精馏浅盘31下方的气相37提取温度为约-173℃的富氧废气(约55％体积氧)并且将其通过管线81(排气管)导入第一换热器4中。由第一换热器4中取出-145℃左右的富氧废气，并且将其导入膨胀涡轮6。待富氧废气在6中经降压被冷却后，将其在约0.3kg/cm2G与约165℃下再次导入主换热器4中，在此被用于冷却进料空气以便达到常温。此后，所得到的富氧废气被释放出该系统。此外，富氧废气可视具体情况而定被用于分子筛柱26的再生过程。
另外，通过管线91(第一循环管线)由组成调节塔3顶部35取出的一部分混合气被导入第一换热器4，此处被用于冷却进料空气。随后，该混合气通过管线92被引入第一压缩机5，其压力升至约8.2kg/cm2G。此后，所得到的混合气通过管线93与进料空气供给管线41汇合以便进行再循环。
通过管线91取自组成调节塔3顶部35的另一部分所述混合气通过管线95(第二循环管线)被送入第二压缩机7，此处其温度与压力上升。随后将其在约8.2kg/cm2G压力和约-155℃温度下通过管线96作为加热介质导入第二换热器8。在第二换热器8中通过与高纯液氮换热将混合气冷却至约-169℃。通过管线97被引向第二膨胀阀22，此处通过降压而被冷却。此后，在其压力为约2.7kg/cm2G，温度为约-181℃的条件下将所得到的混合气体导入组成调节塔3的精馏浅盘31上方。此外，第二压缩机7的轴与所述膨胀涡轮6的轴连接，从而借助6来驱动7。
由在作为精馏塔1顶部15下方数级的精馏浅盘上设置的储存器11b提取约-172℃不含低沸点组分如氢与氦的高纯液氮并且通过管线51(产物气体回收管线)将其导入第二换热器8之中。在此通过与所述混合气间接换热而被蒸发的高纯氮气于约-172℃被送往主换热器4，在此它被用于冷却进料空气以便升温至常温。随后，将所得到的高纯氮气通过管线53送往流速调节阀27以便调节其流速，在8.4kg/cm2G的压力下提取并且借助滤器29脱除颗粒。此后，回收高纯氮气产物。
此外，将第二换热器8设在管线51与精馏塔1的连接点下方约10-15m处，从而使通过将对应于压头差的高达约0.7-1.0kg/cm2的压力加到精馏塔1的操作压力上得到的压力约为7.8kg/cm2G(处在塔顶)，该压力对第二换热器8内的高纯氮气产生影响。
上述方法中高纯氮气的回收率约为62％体积进料空气。
实施例2图2给出了本发明另一实施方案。其中编号8a为换热装置，9为气-液分离器。
在此实施例中，被用于前一实施例的第二换热器由二个独立的部分组成，即换热器8a与气液分离器9。也就是说，气-液分离器9与冷却介质一侧的换热器8a的通道并联，而管线51(产物气体回收管线)与气液分离器9连接，高纯液氮在换热器8a中蒸发。除此部位外的其它构造与图1所示相同。
在上述构造中，高纯液氮由精馏塔1被引入气液分离器9之中，随后经管线58由气液分离器9的液相部分将高纯液氮引入换热器8a以便与所述混合气换热。所得到的高纯液氮通过管线59在其中一部分蒸发之时返回气液分离器9。通过管线52、第一换热器4与管线53回收如此产生的作为产物的高纯氮气。
实施例3图3所示为本发明实施方案之一。其中组成调节塔3底部36被视为终点，第二循环管线返回此处。此部位以外的其它构造与图1中的实施例相同。
在此情况下，精馏塔顶的操作压力约为7.8kg/cm2G，组成调节塔3的操作压力为约2.7kg/cm2G，从而使高纯度氮气的回收率约为62％体积。
通过管线91取自组成调节塔3顶部35的另一部分所述混合气通过管线95(第二循环管线)被导入第二压缩机7，在此其压力与温度上升。随后通过管线96将压力约为8.2kg/cm2G、温度约-155℃的所得到的混合气作为加热介质导入第二换热器8。通过与高纯液氮在第二换热器8中换热将混合气冷却至约-169℃，通过管线97被进一步引入第二膨胀阀22，在此通过降压被冷却。此后，在约2.7kg/cm2G与约-181℃下使所得到的混合气返回组成调节塔3的底部36。
实施例4图4所示为本发明实施方案的另一实例。其中，设置第二循环管线以便使自处在组成调节塔3的精馏浅盘下方气体部分37取出的一部分富氧废气通过第二压缩机7、第二换热器8和第二膨胀阀22返回组成调节塔3的底部36。除了此部位以外的其它构造与图1相同。
在此情形下，精馏塔1顶部的操作压力约为78.kg/cm2G。组成调节塔3的操作压力为约2.7kg/cm2G，从而使高纯氮气的回收率约为62％体积。
通过管线81取自组成调节塔3的精馏浅盘下方的气相部分37的一部分富氧废气通过管线95(第二循环管线)被导入第二压缩机7，在此其压力与温度上升。随后通过管线96将压力约为5.4kg/cm2G、温度约-155℃的所得到的富氧废气作为加热介质导入第二换热器8。通过与高纯液氮在第二换热器8中换热将富氧废气冷却至约-169℃，通过管线97被进一步引入第二膨胀阀22。在此通过降压被冷却。此后，在约2.7kg/cm2G与约-176℃下使得所到的富氧废气返回组成调节塔3的底部36。
实施例5图4所示为本发明另一实施方案，其中第二循环管线的构造满足下列要求取自组成调节塔3的精馏浅盘下方的气相部分37的一部分富氧废气通过第二压缩机7、第一换热器4、第二换热器8与第二膨胀阀22返回组成调节塔3的底部36。
在此实施例中，所述部分的富氧废气通过管线98由第二压缩机7的出口侧被导入第一换热器4，在此得到冷却。随后自第一换热器4中取出所得到的富氧废气并通过管线99将其导入第二换热器8。除此之外的其它构造均与图4相同。
实施例6图6所示为本发明实施方案之一。其中上游一侧第二换热器8的进料空气管线被视为终点，第二循环管线返回此处。此部位以外的其它构造与图1中的实施例相同。
在此情况下，精馏塔顶的操作压力约为7.8kg/cm2G，组成调节塔3的操作压力为约2.7kg/cm2G，从而使高纯度氮气的回收率约为62％体积。
通过管线91取自组成调节塔3顶部35的另一部分所述混合气通过管线95(第二循环管线)被导入第二压缩机7，在此其压力与温度上升。随后通过管线96将压力约为8.2kg/cm2G、温度约-155℃的所得到的混合气与第一换热器4中进料压缩空气通道4b汇合。
在本发明的高纯氮发生装置中，在精馏塔底分离得到的富氧液态空气被引入组成调节塔中，一部分富氧液体空气被蒸发，从而将其分离成为氧与氮的混合气体与其中氧被进一步浓缩的富氧液态空气。随后，该混合气作为进料被再循环，其中氧得到进一步浓缩的富氧液态空气以富氧废气的形式被释放出该系统。
借助膨胀涡轮作为动力回收富氧废气的压力，借助该动力压缩有待再循环的一部分混合气(或一部分富氧废气)，该压缩混合气的显热与潜热被用作热源，从而蒸发以液相形式取自精馏塔的高纯液氮以便作为高纯氮气产物将其回收。因此，与其中取自精馏塔顶的氮气的潜热被用作热源的传统装置(如图7所示)相比，通过利用伴随氧浓度上升产生的液化压力降低的现象可以将成为蒸发高纯液氮所需的热源的气体的供给压力设定在较低数值。
此外，蒸发高纯液氮的第二换热器被设置在从精馏塔中取出高纯液氮的位置下方，因此，待输送的高纯氮气的压力可以高于进料空气压缩机与利用该液压头的其它压缩机的压力。
其结果是，与传统装置(图7)相比，可以将精馏塔的操作压力降低约0.8-1.2kg/cm2。由于精馏塔操作压力的如此般下降，精馏塔顶回流比减小了1-2％，电动力消耗速率降低了约5％。
图1为本发明高纯氮发生装置实例的示意图；图2为本发明高纯氮发生装置另一实例的示意图；图3为本发明高纯氮发生装置另一实例的示意图4为本发明高纯氮发生装置另一实例的示意图；图5为本发明高纯氮发生装置另一实例的示意图；图6为本发明高纯氮发生装置另一实例的示意图；图7为先有技术高纯氮发生装置实例的示意图；图8为先有技术高纯氮发生装置另一实例的示意图。
附图中编号说明1-精馏塔，2-氮冷凝器，3-组成调节塔，4-第一换热器，5-第一压缩机(循环压缩机)，6-膨胀涡轮，7-第二压缩机，8-第二换热器，8a-换热体，9-气液分离器，21-第一膨胀阀，22-第二膨胀阀，25-进料空气压缩机，26-分子筛柱，27-流速调节阀，29-过滤器，11，31-精馏浅盘，51、52与53-产物气体回收管线，81，82，83与85-排气管线，91，92与93-第一循环管线，95，96与97-第二循环管线。
权利要求
1.高纯氮发生装置，其中包括用于冷却进料压缩空气的第一换热器；具有精馏浅盘的精馏塔，其中压缩空气由第一换热器被导入所述精馏浅盘下面以便与回流液体逆流接触，从而使富氧液体空气在底部得到分离，而氮气则在顶部得到分离；用于通过降低压力而冷却被导入的所述富氧液体空气的第一膨胀阀；具有精馏浅盘的组成调节塔，其中所述富氧液态空气由第一膨胀阀被导入所述精馏浅盘上方，富氧液体空气在底部得到分离，而氧与氮的混合气体则在顶部得到分离；氮气冷凝器，用于通过与被收集在所述组成调节塔底部的所述富氧液体空气进行间接换热来冷却由精馏塔顶导入的氮气，这样被冷凝的液氮作为回流液被供给精馏塔中精馏浅盘的上方，未冷凝气体被排出；流程中设有膨胀涡轮的排气管线，由组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分回收富氧废气，并且将其导入膨胀涡轮中，通过降压被冷却的富氧废气作为一部分冷却介质被引入第一换热器并且随后被排向外部；具有第一压缩机的第一循环管线，此处一部分所述混合气体由组成调节塔的顶部被送入第一压缩机，如此经过压缩的混合气与进料压缩空气汇合；具有被所述膨胀涡轮驱动的第二压缩机、第二换热器和第二膨胀阀的第二循环管线，其中所述混合气的另一部分由组成调节塔顶被导入第二压缩机中，如此压缩的混合气作为加热介质被导入第二换热器，随后被导入第二膨胀阀以便通过减压被液化，经液化的气体返回组成调节塔的精馏浅盘上方；用于由作为精馏塔顶下方数级的精馏浅盘回收高纯液氮和使被回收的液氮与第二换热器中混合气体换热的气体产物回收管线，其中被蒸发的高纯氮气作为一部分冷却介质被导入第一换热器中，随后作为产物被回收。
2.高纯氮发生装置，其中包括用于冷却进料压缩空气的第一换热器；具有精馏浅盘的精馏塔，其中压缩空气由第一换热器被导入所述精馏浅盘下面以便与回流液体逆流接触，从而使富氧液体空气在底部得到分离，而氮气则在顶部得到分离；用于通过降低压力而冷却被导入的所述富氧液体空气的第一膨胀阀；具有精馏浅盘的组成调节塔，其中所述富氧液态空气由第一膨胀阀被导入所述精馏浅盘上方，富氧液体空气在底部得到分离，而氧与氮的混合气体则在顶部得到分离；氮气冷凝器，用于通过与被收集在所述组成调节塔底的所述富氧液体空气进行间接换热来冷却由精馏塔顶导入的氮气，这样被冷凝的液氮作为回流液被供给精馏塔中精馏浅盘的上方，未冷凝气体被排出；流程中设有膨胀涡轮的排气管线，由组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分回收富氧废气，并且将其导入膨胀涡轮中，通过降压被冷却的富氧废气作为一部分冷却介质被引入第一换热器并且随后被排向外部；具有第一压缩机的第一循环管线，此处一部分所述混合气体由组成调节塔的顶部被送入第一压缩机，如此经过压缩的混合气与进料压缩空气汇合；具有被所述膨胀涡轮驱动的第二压缩机、第二换热器和第二膨胀阀的第二循环管线，其中所述混合气的另一部分由组成调节塔顶被导入第二压缩机中，如此压缩的混合气作为加热介质被导入第二换热器，随后被导入第二膨胀阀以便通过减压被液化，经液化的气体返回组成调节塔底；用于由作为精馏塔顶下方数级的精馏浅盘回收高纯液氮和使被回收的液氮与第二换热器中混合气体换热的气体产物回收管线，其中被蒸发的高纯氮气作为一部分冷却介质被导入第一换热器中，随后作为产物被回收。
3.高纯氮发生装置，其中包括用于冷却进料压缩空气的第一换热器；具有精馏浅盘的精馏塔，其中压缩空气由第一换热器被导入所述精馏浅盘下面以便与回流液体逆流接触，从而使富氧液体空气在底部得到分离，而氮气则在顶部得到分离；用于通过降低压力而冷却被导入的所述富氧液体空气的第一膨胀阀；具有精馏浅盘的组成调节塔，其中所述富氧液态空气由第一膨胀阀被导入所述精馏馏浅盘上方，富氧液体空气在底部得到分离，而氧与氮的混合气体则在顶部得到分离；氮气冷凝器，用于通过与被收集在所述组成调节塔底的所述富氧液体空气进行间接换热来冷却由精馏塔顶导入的氮气，这样被冷凝的液氮作为回流液被供给精馏塔中精馏浅盘的上方，未冷凝气体被排出；流程中设有膨胀涡轮的排气管线，由组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分回收一部分富氧废气，并且将其导入膨胀涡轮中，通过降压被冷却的富氧废气作为一部分冷却介质被引入第一换热器并且随后被排向外部；具有第一压缩机的第一循环管线，此处一部分所述混合气体由组成调节塔的顶部被送入第一压缩机，如此经过压缩的混合气与进料压缩空气汇合；具有被所述膨胀涡轮驱动的第二压缩机、第二换热器和第二膨胀阀的第二循环管线，其中所述富氧废气的另一部分由组成调节塔的精塔盘下方的气相部分回收并且被导入第二压缩机中，如此压缩的富氧废气作为加热介质被导入第二换热器，随后被导入第二膨胀阀以便通过减压被液化，经液化的气体返回组成调节塔底；用于由作为精馏塔顶下方数级的精馏浅盘回收高纯液氮和使被回收的液氮与第二换热器中富氧废气换热的产物气体回收管线，其中被蒸发的高纯氮气作为一部分冷却介质被导入第一换热器中，随后作为产物被回收。
4.按照权利要求3的高纯氮发生装置，其中所述第二循环管线具有被所述膨胀涡轮驱动的第二压缩机、第一换热器、第二换热器和第二膨胀阀，在此另一部分所述富氧废气由组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分回收并且被引入第二压缩机，如此经过压缩的富氧废气作为热介质被导入所述第一换热器并且随后作为加热介质被导入第二换热器，此后被导入第二膨胀阀以便通过降压被液化，经过如此液化的气体返回组成调节塔的底部。
5.高纯氮发生装置，其中包括用于冷却进料压缩空气的第一换热器；用于通过与有待作为产物回收的高纯液氮间接换热进一步冷却通过第一换热器的压缩空气的第二换热器；具有精馏浅盘的精馏塔，其中压缩空气由第二换热器被导入所述精馏浅盘下面以便与回流液体逆流接触，从而使富氧液体空气在底部得到分离，而氮气则在顶部得到分离；用于通过降低压力而冷却被导入的所述富氧液体空气的第一膨胀阀；具有精馏浅盘的组成调节塔，其中所述富氧液态空气由第一膨胀阀被导入所述精馏浅盘上方，富氧液体空气在底部得到分离，而氧与氮的混合气体则在顶部得到分离；氮气冷凝器，用于通过与被收集在所述组成调节塔底的所述富氧液体空气进行间接换热来冷却由精馏塔顶导入的氮气，这样被冷凝的液氮作为回流液被供给精馏塔中精馏浅盘的上方，未冷凝气体被排出；流程中设有膨胀涡轮的排气管线，由组成调节塔的精馏浅盘下方的气相部分回收富氧废气，并且将其导入膨胀涡轮中，通过降压被冷却的富氧废气作为一部分冷却介质被引入第一换热器并且随后被排向外部；具有第一压缩机的第一循环管线，此处一部分所述混合气体由组成调节塔的顶部被送入第一压缩机，如此经过压缩的混合气与进料压缩空气汇合；具有被所述膨胀涡轮驱动的第二压缩机的第二循环管线，其中所述混合气的另一部分由组成调节塔顶被导入第二压缩机中，如此压缩的混合气与第一换热器的中间部分的进料空气汇合；用于由作为精馏塔顶下方数级的精馏浅盘回收高纯液氮和使被回收的液氮与第二换热器中混合气体换热的产物气体回收管线，其中被蒸发的高纯氮气作为一部分冷却介质被导入第一换热器中，随后作为产物被回收。
6.按照权利要求1-5中任一项的高纯氮发生装置，其中所述第二换热器设置在高纯液氮被取出所述精馏塔的位置下方，由第二换热器至该位置的高度大于10m，但小于15m。
7.按照权利要求1-5中任一项的高纯氮发生装置，其中所述第二换热器由一换热器和气液分离器组成，所述气液分离器平行地连接在冷却介质侧的所述换热器的管道上，所述产物气体回收管线与气液分离器连接以便回收作为产物的在气液分离器中蒸发的高纯氮气。
8.高纯氮的生产方法，其中包括借助高纯氮发生装置压缩取自所述组成调节塔的混合气以便使其升温，并且通过与其温度已被提高的混合气换热来蒸发取自所述精馏塔的高纯液氮，该装置包括其中加入了被冷却的压缩空气以便于其与回流液逆流接触从而在底部分离得到富氧液态空气并且在顶部得到氮气、以及其中高纯液氮取自该顶部附近的液相部分的精馏塔，其中所述富氧液态空气被导入其中以便蒸发其中一部分从而在底部分离出富氧液态空气和在顶部分离得到氧与氮的混合气体的组成调节塔。
全文摘要
其能量效率与高纯氮气回收率俱佳的高纯氮发生装置。在精馏塔1中,进料空气被分离为氮气和富氧液态空气。通过第一膨胀阀21降低塔底的富氧液态空气的压力,并且将其送往组成调节塔3,其顶部的氮气在氮气冷凝器2中冷凝,所得到的液氮作为回流液返回精馏塔1并且释放非冷凝气体。组成调节塔3下部的富氧废气通过膨胀涡轮6被降压后,通过第一换热器4被释放。塔3顶部的混合气再循环进入第一压缩机5。另一部分混合气通过第二压缩机7、第二换热器8与第二膨胀阀22返回组成调节塔3。借助膨胀涡轮6驱动第二压缩机7。在第二换热器8中蒸发取自精馏塔1顶部附近的高纯液氮以便回收。
文档编号F25J3/04GK1170861SQ9710540
公开日1998年1月21日 申请日期1997年5月28日 优先权日1996年5月29日
发明者伸二富田 申请人:缔酸株式会社