一种基于单塔的制氮装置及其制氮方法与流程

本发明涉及一种基于单塔的制氮装置及其制氮方法。

背景技术：

1、氮气产品在工业生产制造中发挥着重要作用，随着社会的发展，氮气与液氮产品的需求量也在追加加大，如何提高氮气与液氮产品的生产效率尤为重要。传统单塔制氮装置包括空压机、预冷机、纯化系统、膨胀机、主换热器、过冷器、精馏塔和冷凝蒸发器。具体的制氮工艺为压缩空气经过预冷、净化单元、通过主换热器与出冷箱的返流气体换热后，接近液化温度进入精馏塔底部，在精馏塔中从下往上经过塔板（填料）与来自塔顶的液氮回流液换热，空气中的氧组分被冷凝，在塔顶得到高纯度的氮气，塔顶的氮气一部分进入冷凝蒸发器被来自塔底节流后的富氧液空蒸发冷凝成液氮，液氮作为精馏塔顶部的回流液，塔顶的其余氮气引出作为氮气产品。冷凝蒸发器中被蒸发的富氧液空，经过主换热器复温后，进入风机制动的膨胀机进行低温膨胀后温度显著降低产生冷量，再进入主换热器与高温的压缩空气换热后，作为纯化系统的再生气，最后通过消音器放空，由于膨胀机无增压端，只产生冷量，膨胀机输出的机械能通过风机制动被浪费，同时膨胀后的污氮气全部放空到大气环境中，没有被增压后再作为原料气进行二次精馏提取，污氮气中的氮成分被浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的就是解决现有制氮装置氮气回收率低的问题，提出一种基于单塔的制氮装置，通过在冷凝分离筒上设置与增压端进气侧连通的第一管道，由于增压端出气侧设有与进气管道连通的第二管道，因此，能对冷凝分离筒排出的污氮气进行增压回收处理，增压后的污氮气可作为原料气重新送入精馏塔参与二次精馏，有效回收传统工艺中直接放空的污氮组分与残余能量，大幅提升了原料的利用率。

2、为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于单塔的制氮装置，包括精馏塔、制动膨胀机、主换热器、冷凝蒸发器、低温膨胀机和冷凝分离筒，所述精馏塔上连接有进气管道，所述冷凝分离筒设置在精馏塔的上方,所述精馏塔和冷凝分离筒内均设有一个冷凝蒸发器，所述精馏塔的底端设有与冷凝分离筒连通的输送管道，所述低温膨胀机包括增压端和膨胀端，所述冷凝分离筒的顶端设有与增压端进气侧连通的第一管道，所述增压端出气侧设有与进气管道连通的第二管道，所述冷凝分离筒的底端设有与精馏塔连通的回流管，所述精馏塔上设有与膨胀端进气侧连通的第三管道，所述膨胀端出气侧上连接有污氮再生管道，所述精馏塔上设有氮气输出管道，所述氮气输出管道输出的氮气分为两路，一路经主换热器换热后向外输出成品氮气，另一路进入冷凝蒸发器内，冷凝蒸发器上设有与精馏塔连通的出料管道。

3、优选的，所述第三管道上设有与制动膨胀机连通的第四管道，所述进气管道上设有与制动膨胀机连通的第五管道，运行时可通过第四管道向制动膨胀机输送污氮气，或，通过第五管道向制动膨胀机输送原料空气。

4、优选的，所述污氮再生管道经主换热器换热后进入吸附器，且所述污氮再生管道内的工作压力为0.34～0.36barg。

5、优选的，所述进气管道和第二管道内的工作压力为6～6.2barg。

6、优选的，所述制动膨胀机和低温膨胀机均为气体轴承膨胀机。

7、优选的，所述氮气输出管道上设有第一输出管和第二输出管，所述第一输出管内的氮气经主换热器换热后向外输出成品氮气，所述第二输出管上设有与冷凝蒸发器连通的支管。

8、优选的，所述第四管道和第五管道上均设有自动调节截止阀。

9、优选的，所述进气管道上设有第一接头和第二接头，所述第二管道与第一接头相连，所述第五管道与第二接头相连。

10、优选的，所述第三管道上设有第三接头，所述第四管道与第三接头相连。

11、另外，本发明还提供了一种基于单塔的制氮方法，包括制氮装置，所述制氮装置为上述的基于单塔的制氮装置，所述制氮方法包括以下步骤：

12、步骤一：将空气经纯化系统处理后得到压缩空气，并将压缩空气通入进气管道，经主换热器换热后送入精馏塔内；

13、步骤二：精馏塔对压缩空气进行精馏处理，并在精馏塔的顶端得到氮气，氮气经氮气输出管道分为两路，一路经主换热器换热后向外输出成品氮气，另一路进入冷凝蒸发器内，经冷凝液化后得到的液氮重新进入精馏塔上部作为回流液；

14、步骤三：将精馏塔底部形成的富氧液空输送至冷凝分离筒内，一部分富氧液空在冷凝分离筒内蒸发吸热，与氮气进行换热，并形成高压污氮气汇集于冷凝分离筒的顶部；另一部分富氧液空通过回流管流入精馏塔顶部，并经冷凝蒸发器内蒸发形成低压污氮气；

15、步骤四:步骤三所得的高压污氮气通过第一管道输送至低温膨胀机的增压端进气侧，高压污氮气进入低温膨胀机增压端完成压缩升压处理，增压完成后的高压污氮气从增压端出气侧流出，并经第二管道汇入进气管道，与纯化处理后的压缩空气混合后一同送入精馏塔内，实现污氮中残余氮气组分的二次精馏回收；

16、步骤五：步骤三所得的低压污氮气通过第三管道送入主换热器换热后送入膨胀端进气侧，低压污氮气在膨胀端内绝热膨胀制冷，输出低温冷量，膨胀降温后的低温污氮气从膨胀端出气侧流出，经污氮再生管道换热后进入吸附器；

17、步骤六：通过第四管道抽取部分污氮气输送至制动膨胀机膨胀制冷；或，通过第五管道引入压缩空气进入制动膨胀机。

18、综上所述，本发明的优点：

19、1.通过在冷凝分离筒上设置与增压端进气侧连通的第一管道，由于增压端出气侧设有与进气管道连通的第二管道，因此，能对冷凝分离筒排出的污氮气进行增压回收处理，增压后的污氮气可作为原料气重新送入精馏塔参与二次精馏，有效回收传统工艺中直接放空的污氮组分与残余能量，大幅提升了原料的利用率，可将氮气回收率提高至54%（氮空比），氮气产量能提升35%，同时单位产品能耗降低25.9%，增产节能效果突出；

20、2.将冷凝分离筒设置在精馏塔的上方，能使两个冷凝蒸发器成上下布置，从而实现两种不同压力的污氮气，确保冷凝分离筒内的污氮气可经低温膨胀机增压后进行二次精馏，提升物料分离精度；精馏塔内的污氮气可用于膨胀制冷，为整套制氮装置提供所需冷量，实现能量与物料的分级高效利用；

21、3.由于冷凝分离筒内仅布置了冷凝蒸发器，仅依靠单一精馏塔完成空气精馏制氮，相较于传统双塔空分制氮设备，大幅减少主体设备数量，简化了整体管路的布置，整体结构紧凑，占地面积小，有效降低了制造成本；

22、4.在精馏塔和冷凝分离筒之间设置输送管道和回留管，运行时，富氧液空通过输送管道送入冷凝分离筒内，一部分富氧液空在冷凝分离筒内经冷凝蒸发器完成相变蒸发，从而在冷凝分离筒的顶部形成高压污氮气，另一部分富氧液空通过回流管流入精馏塔顶部，并经冷凝蒸发器内蒸发形成低压污氮气；

23、5.将精馏塔产出的成品氮气经氮气输出管道分为两路：一路经主换热器换热复热后直接外送，作为合格成品氮气输出；另一路引入冷凝蒸发器内部被冷凝成液氮，同时冷凝蒸发器通过出料管道与精馏塔连通，因此液氮可回流至精馏塔作为回流液，直接利用产品氮气制取塔内所需回流液，简化装置流程与设备配置；充分耦合冷凝蒸发器的换热工况，合理匹配冷量供需关系，实现能量综合利用；稳定精馏塔回流比，保障塔内氧氮分离效果，有利于提升氮气产品纯度；

24、6.采用制动膨胀机和低温膨胀机的协同运行的工作模式，其中制动膨胀机用于制取低温冷量，用以补偿、平衡冷箱系统正常运行过程中的冷量损耗，保

25、障冷箱整体低温工况稳定；低温膨胀机在对外制取冷量的同时，可精准平衡增压端压缩污氮气过程中产生的压缩热，实现系统热量动态抵消与冷热平衡。