[发明专利]一种深冷分离提纯氮气及液氮的装置及方法

权利要求书

1.一种深冷分离提纯氮气及液氮的装置，包括空气压缩系统、预冷系统、纯化系统和分馏塔系统，其特征在于：所述分馏塔系统包括主换热器、膨胀机的膨胀端、单级精馏塔、液氮过冷器；所述空气压缩系统通过第一管道与预冷系统相连接，所述预冷系统通过第二管道与纯化系统连接，所述纯化系统上连接第三管道，所述第三管道上连接第四管道和第五管道，所述第四管道经主换热器连接在精馏塔下部的气体入口处；所述第五管道与膨胀机的增压端相连接，所述增压端通过第六管道连接一冷却器，所述冷却器通过第七管道连接分馏塔系统内的主换热器，所述第七管道经主换热器后与第八管道相连接，所述第八管道连接膨胀机的膨胀端，所述膨胀端的出口处连接第九管道，所述第九管道经主换热器后连接在预冷系统上；所述单级精馏塔下部的液体出口处连接第十管道，所述第十管道经过第一节流阀后连接在所述冷凝蒸发器顶部，所述单级精馏塔顶部的氮气出口处连接第十一管道，所述第十一管道经过主换热器后通过第五节流阀连接氮气收集单元，所述冷凝蒸发器上方的污气出口处连接一第十二管道，所述第十二管道经过主换热器后连接在分馏塔系统外部的喷射蒸发器上，所述喷射蒸发器上连接第十八管道，所述第十八管道与第十九管道及第二十管道分别相连通，所述第十九管道连接纯化系统，所述第二十管道连接预冷系统；所述冷凝器蒸发器的液氮侧出口处连接第十三管道，所述第十三管道经过液氮过冷器后分别与第十四管道及第十五管道相连通，所述第十四管道经过第三节流阀后连接在分馏塔系统外部的液氮收集单元上，所述第十五管道经过第二节流阀连接液氮过冷器，所述液氮过冷器通过第十六管道与第九管道相通，所述冷凝蒸发器的液空侧出口连接第十七管道，所述第十七管道通过第四节流阀连接喷射蒸发器。

2.根据权利要求1所述的一种深冷分离提纯氮气及液氮的装置，其特征在于：所述单级精馏塔为塔板数为38~55或对应塔盘数为45~75盘的规整填料塔。

3.一种利用如权利要求1中所述的装置进行深冷分离提纯氮气及液氮的方法，其特征在于：该方法如下：

1）原料气为空气，空气先经过空气压缩系统压缩，压缩后的压力为~0.48Mpa、温度为~100℃气体经第一管道进入预冷系统进行冷却，冷却至8~17℃，冷却后的气体通过第二管道进入空气纯化系统，经过空气纯化系统吸附掉水、二氧化碳及部分碳氢化合物后经由第三管道进入分馏塔系统，进入分馏塔系统后的气体分为两部分：一部分气体经过第五管道进入膨胀机的增压端，然后通过第六管道送入冷却器，通过冷却器冷却后经由第七管道在主换热器中与返流的富氧空气、氮气进行热交换，热交换后空气从主换热器中下部抽出，温度为-110~-135℃，通过第八管道进入膨胀机的膨胀端进行绝热膨胀，膨胀后的空气压力为25kPa、温度为-170~-187℃的气体通过第九管道经主换热器复热后送出分馏塔系统；另一部分气体通过第四管道经主换热器被冷却至液化点后通过单级精馏塔下部的气体入口进入单级精馏塔进行精馏；

2）单级精馏塔在塔顶得到纯氮气及液氮，纯度含氧为小于10PPmO₂，单级精馏塔塔底为40%的富氧液空；单级精馏塔所需的回流液来自塔顶部的冷凝蒸发器，液空得到蒸发，而氮气得到冷凝；部分液氮回单级精馏塔作为回流液，另一部分液氮经液氮过冷器分为两部分：大部分液氮通过第十四管道经液氮过冷器、第三节流阀被送入液氮收集单元，一小部分液氮通过第十五管道经第二节流阀至低压后返回液氮过冷器与液氮换热，然后汇合膨胀空气送出分馏塔系统；来自单级精馏塔塔釜的富氧液空，经过第十管道、第一节流阀节流后进入塔顶的冷凝蒸发器，在冷凝蒸发器顶部抽出的富氧空气通过第十二管道经过主换热器复热后进入喷射蒸发器，在冷凝蒸发器氮气侧出口抽出的氮气通过第十一管道经过主换热器复热后经第五节流阀节流而后进入氮气收集单元，与冷凝蒸发器底部抽出的通过第十七管道及第四节流阀被送入喷射蒸发器的液体换热后进入第十八管道，第十八管道内的气体一部分通过第十九管道去空气纯化系统作再生气，另一部分通过第二十管道进入空气预冷系统回收冷量。

4.根据权利要求3所述的一种深冷分离提纯氮气及液氮的方法，其特征在于：经空气压缩系统压缩后的气体压力为0.48MPa，温度为~100℃；经预冷系统冷却后的气体温度为8~17℃。

5.根据权利要求3所述的一种深冷分离提纯氮气及液氮的方法，其特征在于：增压端增压后的气体经过冷器冷却后的温度为40℃。