[发明专利]一种深冷分离提纯氮气及液氮的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及空气分离领域，尤其涉及一种深冷分离提纯氮气及液氮的装置及方法。

背景技术

随着工业的迅速发展，氮气在化工、电子、冶金、食品、机械等领域获得了广泛的应用。氮气是一种化学性质不活泼的气体，不易与其他物质发生化学反应。因此，氮气在冶金工业、食品冷冻、电子工业、化工工业中广泛的用来作为保护气和密封气，一般保护气的纯度要求为99.99%，有的要求99.998%以上的纯氮。

随着氮气产品的需求量增大，纯氮设备的规模也在不断的变大。纯氮设备的流程形式也是一直在改变，推陈出新。

目前纯氮设备采用的流程主要有单塔废气返流膨胀流程、双塔正流膨胀流程、双塔返流膨胀流程等等。以上流程形式适合小型制氮设备，随着制氮设备的规模扩大，以上所述的流程形式能耗较高、操作复杂、不易于用户操作的缺点日益明显。

发明内容

本发明克服上述现有技术中的不足提供一种能耗低、工艺流程简单的通过空气深冷分离提纯氮气及液氮的装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：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，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。

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。

一种深冷分离提纯氮气及液氮的方法，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；