CN104807290A - 单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方法 - Google Patents

单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方法 Download PDF

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CN104807290A CN201510212603.2A CN201510212603A CN104807290A CN 104807290 A CN104807290 A CN 104807290A CN 201510212603 A CN201510212603 A CN 201510212603A CN 104807290 A CN104807290 A CN 104807290A
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刘代勇
李凯菊
冷全起
宋万喜
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Abstract

本发明公开了一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方法。装置包括过滤器、压缩机、预冷系统、分子筛纯化系统、主换热器、精馏塔、冷凝蒸发器、过冷器、废气膨胀机以及驱动的增压机、氮气膨胀机以及驱动的增压机和节流阀。空气首先进入空气过滤器除杂，然后进入空气压缩机压缩，压缩后进入空气预冷系统冷却和分子筛纯化系统净化，净化后进入主换热器冷却，冷却后进入精馏塔分离，分离后精馏塔顶部产生氮气和下部富氧液空；氮气部分进入蒸发器冷凝为液氮，部分经主换热器、膨胀机循环处理后收集；液氮部分作为回流液，部分排出收集；富氧液空经过处理后循环利用。本发明流程简单、易于操作，可获得压力为0.01～0.1MPa的氮气。

Description

单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方法
一、技术领域：
本发明属于低温精馏空气分离技术领域，具体涉及一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方法。
二、背景技术：
目前，现有技术中关于氮气的制取方法和装置主要有以下方法，大致内容如下：
产品氮气压力在0～5bar时主要有以下六种方案：
方案一：返流废气膨胀流程，膨胀机增压端增压产品氮气或者正流空气，然后节流至所需压力，一般在4～5bar；空压机排气压力较产品氮气的压力要求高0.8bar。
方案二：正流空气膨胀流程，膨胀机增压端增压产品氮气或者正流空气，产品压力直接获得，一般产品氮气压力在4～5bar；空压机排气压力较产品氮气的压力要求高1.5bar左右。但是其提取率较高，膨胀空气先增压、后膨胀，然后直接排放作为分子筛纯化系统的再生气。产品规模大于10000NM3/h时可以单独设置增压机增压膨胀空气，增压空气膨胀后进冷箱，以提高产品量。
方案三：双塔精馏流程，将上塔底部倒数第3～5块塔板的富氧(氧含量40％以下)作为废气排放，作为分子筛纯化系统的再生气，上塔底部少量富氧(氧含量60％以上)作为非产品气抽出。这样可以提高上塔的排气压力，以满足产品氮气压力要求，降低氮气产品压缩能耗。这种流程可以获得两种压力的产品氮气，分别是0～2bar和5bar左右或者更高。
方案四：双塔双冷凝流程，将上塔底部富氧节流后送入上塔顶部的冷凝器，以获得0～3bar和5～7bar或者更高压力的产品氮气。这种流程产品提取率高，可达60％左右。
方案五：双塔双冷凝流程(双下塔流程)，采用两塔平行布置，将压力较高的下塔底部富氧通过液体泵送入低压下塔顶部的冷凝器，压力较高的冷凝器蒸汽通入压力较低的塔底部，可以获得0～3bar和5～7bar或者更高压力的产品氮气。这种流程产品提取率高，可达60％左右。优点是可提高低压塔压力，产品气压力也提高不少。
方案六：超低压流程，主塔运行压力均在1.4bar(a)(精馏效率提高40％左右)，由膨胀机增压端增压空气，循环氮压机排气压力3.5～5bar(a)，或者采用一体机，4-5级的排气压力为7～12bar(a)，以满足产品压力要求，第三级中抽压力为3.5～5bar(a)，以满足主冷液化压力。塔的布置可以采用主冷布置在最底部，精馏塔坐落在主冷之上；也可以采用主冷在主塔上部的布置方式。产品压缩机与流程压缩机合二为一，产品可以由精馏塔获取，也可以压缩机中抽，可以获得0～3bar和5～7bar或者更高压力的产品氮气。这种流程产品提取率可达60％(单塔)，且能耗降低不少。缺点是设备规模有所扩大，适合20000m/h等级以下的空分设备。
按照目前氮气制取的现有技术，当产品氮气压力在0～0.1MPa时，采用方案一、方案二中产品氮气压力均高于0.1MPa，若采用这两种方案必须将氮气节流使用，势必造成不必要的能量损失；采用方案三至方案五至少多采用两个精馏塔，流程复杂，设备较多、一次设备投入较大更适合制取两种不同压力氮气的装置；采用方案六膨胀机必须是增压透平膨胀机，仅适合较大制氮装置。
三、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置和方法，本发明低压氮气制备方法流程简单、易于操作，设备一次投入少，采用本发明装置和方法返流膨胀即可获得压力为0.01～0.1MPa的氮气。
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为：
本发明提供一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，包括空气过滤器AF、空气压缩机TC、空气预冷系统RU、分子筛纯化系统MS、主换热器E1、精馏塔C1、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器K1、过冷器E2、节流阀、废气膨胀机ET2、氮气膨胀机ET1、氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2，两增压机进出口分别与大气相通(此时膨胀机又称风机制动透平膨胀机)或通过管道依次连接于分子筛纯化系统MS和主换热器E1之间(此时膨胀机又称增压机制动透平膨胀机即增压透平膨胀机，两增压机连接于分子筛纯化系统MS和主换热器E1之间时二者的位置可以互换)，各设备之间通过管道相连通，连接关系为：
空气过滤器AF的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机TC的空气进气口连通，空气压缩机TC的空气出气口通过102管道与空气预冷系统RU的空气进气口直接连通或者经末级冷却器WE后与空气预冷系统RU的空气进气口连通，空气预冷系统RU的空气出气口通过103管道与分子筛纯化系统MS的空气进气口连通；分子筛纯化系统的空气出气口通过104管道与主换热器E1的空气进气口直接连通或者分子筛纯化系统MS的空气出气口通过104管道依次经氮气增压机BT1和废气增压机BT2后与主换热器E1的空气进气口连通，主换热器E1的空气出气口通过105管道与精馏塔C1下部空气进气口连通；
精馏塔C1顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器E1的氮气进口连通、通过202管道与冷凝蒸发器K1的氮气进口连通，主换热器E1的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机ET1的氮气进口连通，氮气膨胀机ET1的氮气出口通过205管道与主换热器E1的另一氮气进口连通，主换热器E1的另一氮气出口通过206输出管道排出收集；冷凝蒸发器K1的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔C1顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀V1后排出收集；
精馏塔C1底部富氧液空出口通过301管道与过冷器E2的富氧液空进口连通，过冷器E2的富氧液空出口通过302管道并经节流阀V2后通过303管道与冷凝蒸发器K1的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器K1的废气出口通过304管道与过冷器E2的废气进口连通，过冷器E2的废气出口通过305管道与主换热器E1的废气进口连通，主换热器E1的废气出口通过306管道与废气膨胀机ET2的废气进口连通，废气膨胀机ET2的废气出口通过307管道与主换热器E1的另一废气进口连通，主换热器E1的另一废气出口分别通过310管道与分子筛纯化系统MS连通、通过309管道排出或者与空气预冷系统RU连通。
根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器E1和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机。
根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，所述分子筛纯化系统包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
一种利用上述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)、原料空气首先经过空气过滤器AF除杂，除杂后经过101管道进入空气压缩机TC进行压缩，压缩后通过102管道直接进入空气预冷系统RU或者经末级冷却器WE后进入空气预冷系统RU进行冷却，冷却后的空气经过103管道进入分子筛纯化系统MS进行净化，得到净化后的原料空气；
(2)、步骤(1)净化后的原料空气通过104管道直接进入主换热器E1冷却到露点温度以下即98.77～105.34K(此时空气压力为5.25～8.5bar(a)，露点温度为98.957～105.597K)，使原料空气中含有5.3～8.8mol％的液体(气相分率为0.947～0.912)，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
或者步骤(1)净化后的原料空气经过104管道后依次进入氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2进行再次增压(原料空气的压力提升至5.4～8.5bar(a))，原料空气经过增压后进入主换热器E1冷却到露点温度以下即98.79～105.14K(此时空气压力为5.25～8.35bar(a)，露点温度为98.957～105.336K)，使原料空气中含有4.7～6.6mol％的液体(气相分率为0.953～0.934)，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
(3)、步骤(2)精馏塔C1顶部得到的氮气分成两部分：占氮气总量33.3～43.7mol％的部分氮气通过203管道进入主换热器E1复热(复热到107.5～136.3K)，然后从主换热器E1中部抽出经过204管道进入氮气膨胀机ET1降压降温(压力降至为1.22～2bar(a)、温度降温至79.6～87K)，降温降压后经过205管道返回到主换热器E1进行复热，然后出主换热器E1经206输出管道排出收集，作为产品氮气输出；剩余部分氮气通过202管道进入精馏塔C1顶部的冷凝蒸发器K1冷却成液氮；得到的液氮分成两部分，占液氮总量3.1～10.2mol％的部分液氮作为产品液氮，通过403管道并经节流阀V1节流后输出，剩余部分液氮经402管道直接送回精馏塔顶部作为回流液；
(4)、步骤(2)精馏塔底部得到的富氧液空通过301管道进入过冷器E2冷却(冷却至96.7～103.6K)，然后经过302管道并经节流阀V2节流后，通过303管道进入冷凝蒸发器K1，在冷凝蒸发器K1中富氧液空(此时富氧液空的压力为2.39～4.52bar(a))被来自精馏塔顶部的氮气加热蒸发，蒸发得到的废气由冷凝蒸发器K1顶部排出，通过304管道进入过冷器E2，过冷来自精馏塔底部经301管道进入的富氧液空，然后经305管道进入主换热器E1复热(复热到107.5～136.3K)，复热后从主换热器E1中部抽出经306管道进入废气膨胀机ET2，经废气膨胀机ET2降压降温(压力降为1.22bar(a)、温度降至93.3～100.6K)，降压降温后经307管道返回到主换热器E1，在主换热器E1内被来自分子筛纯化系统MS的原料空气加热，然后从主换热器E1输出，输出的废气分为两部分，占分子筛纯化系统MS进口空气流量20-25％的部分废气从主换热器E1顶部或上部输出经310管道经进入分子筛纯化系统MS作为再生气，剩余部分废气从主换热器E1顶部输出经309管道放空或送入空气预冷系统RU回收冷量；
(5)、在精馏塔C1中上升气为来自步骤(2)中冷却到露点温度以下的原料空气，回流液为来自步骤(3)的部分液氮，利用气液间的温度差在精馏塔塔板上进行热质交换从而在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空。
根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，步骤(1)中空气经空气压缩机TC压缩到压力为4.75～8.8bar(a)；经空气预冷系统RU冷却至278～285K；经分子筛纯化系统MS净化后除去空气中的水和二氧化碳杂质，净化后的空气露点温度≤65℃，二氧化碳含量≤1PPm；
所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器E1和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机；
所述分子筛纯化系统包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，包括空气过滤器AF、空气压缩机TC、空气预冷系统RU、分子筛纯化系统MS、主换热器上段E1-1、主换热器下段E1-2、精馏塔C1、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器K1、过冷器E2、节流阀、废气膨胀机ET2、氮气膨胀机ET1、氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2，两增压机进出口分别与大气相通(此时膨胀机又称风机制动透平膨胀机)或通过管道依次连接于分子筛纯化系统MS和主换热器上段E1-1之间(此时膨胀机又称增压机制动透平膨胀机即增压透平膨胀机，两增压机连接于分子筛纯化系统MS和主换热器E1-1之间时二者的位置可以互换)，各设备之间通过管道相连通，连接关系为：
空气过滤器AF的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机TC的空气进气口连通，空气压缩机TC的空气出气口通过102管道与空气预冷系统RU的空气进气口直接连通或者经末级冷却器WE后与空气预冷系统RU的空气进气口连通，空气预冷系统RU的空气出气口通过103管道与分子筛纯化系统MS的空气进气口连通；分子筛纯化系统MS的空气出气口通过104管道依次与主换热器上段E1-1、下段E1-2连通或者分子筛纯化系统MS的空气出气口通过104管道依次经氮气增压机和废气增压机后与主换热器上段E1-1、下段E1-2连通，主换热器下段E1-2的空气出气口通过105管道与精馏塔C1下部空气进气口连通；
精馏塔C1顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器下段E1-2的氮气进口连通、通过202管道和冷凝蒸发器K1的氮气进口连通，主换热器下段E1-2的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机ET1的氮气进口连通，氮气膨胀机ET1的氮气出口通过205管道与主换热器下段E1-2的另一氮气进口连通，主换热器下段E1-2的另一氮气出口通过205A管道和主换热器上段E1-1的氮气进口连通，主换热器上段E1-1的氮气出口经206输出管道排出收集；冷凝蒸发器K1的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔C1顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀V1后排出收集；
精馏塔C1底部富氧液空出口通过301管道与过冷器E2的富氧液空进口连通，过冷器E2的富氧液空出口通过302管道并经节流阀V2后通过303管道与冷凝蒸发器K1的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器K1的废气出口通过304管道与过冷器E2的废气进口连通，过冷器E2的废气出口通过305管道与主换热器下段E1-2的废气进口连通，主换热器下段E1-2的废气出口通过306管道与废气膨胀机ET2的废气进口连通，废气膨胀机ET2的废气出口通过307管道与主换热器下段E1-2的另一废气进口连通，主换热器下段E1-2的另一废气出口经307A管道与主换热器上段E1-1的废气进口连通，主换热器上段E1-1的废气出口分别通过310管道与分子筛纯化系统MS连通、通过309管道排出或者与空气预冷系统RU连通。
根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器上段E1-1、下段E1-2和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机。
根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，所述分子筛纯化系统MS包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
一种利用上述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)、原料空气首先经过空气过滤器AF除杂，除杂后经过101管道进入空气压缩机TC进行压缩，压缩后通过102管道直接进入空气预冷系统RU或者经末级冷却器WE后进入空气预冷系统RU进行冷却，冷却后的空气经过103管道进入分子筛纯化系统MS进行净化，得到净化后的原料空气；
(2)、步骤(1)净化后的原料空气通过104管道直接依次进入主换热器上段E1-1、下段E1-2冷却到露点温度以下即98.77～105.34K(此时空气压力为5.25～7.5bar(a)，露点温度为98.957～105.597K)，使原料空气中含有5.3～8.8mol％(气相分率为0.947～0.912)的液体，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
或者步骤(1)净化后的原料空气经过104管道依次进入氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2再次增压(原料空气的压力提升至5.4～8.5bar(a))，增压后的原料空气经过104B管道进入主换热器上段E1-1初步冷却(此时空气压力为5.27～8.4bar(a)，温度为117.26～162.17K)，冷却后经过104C管道进入主换热器下段E1-2冷却到露点温度以下即98.79～105.14K(此时空气压力为5.25～8.35bar(a)，露点温度为98.957～105.336K)，使原料空气中含有4.7～6.6mol％(气相分率为0.953～0.934)的液体，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
(3)、步骤(2)精馏塔C1顶部得到的氮气分成两部分：占氮气总量33.3～43.7mol％的部分氮气通过203管道进入主换热器下段E1-2复热(复热到107.5～136.3K)，然后从主换热器下段E1-2抽出经过204管道进入氮气膨胀机ET1降压降温(压力降至为1.22～2bar(a)、温度降温至79.6～87K)，降温降压后经过205管道返回主换热器下段E1-2初步复热(复热到107.5～136.3K)，然后出主换热器下段E1-2经205A管道进入主换热器上段E1-1中再次复热(复热到282～318.1K)，复热后经206输出管道排出收集，作为产品氮气输出；剩余部分氮气通过202管道进入精馏塔C1顶部的冷凝蒸发器K1冷却成液氮；得到的液氮分成两部分，占液氮总量3.1～10.2mol％的部分液氮作为产品液氮，通过403管道并经节流阀V1节流后输出；剩余部分液氮经402管道直接送回精馏塔顶部作为回流液；
(4)、步骤(2)精馏塔底部得到的富氧液空通过301管道进入过冷器E2进行冷却(冷却至96.7～103.6K)，然后经过302管道并经节流阀V2节流后，通过303管道进入冷凝蒸发器K1，在冷凝蒸发器K1中富氧液空(富氧液空的压力为2.39bar～4.52bar(a))被来自精馏塔顶部的氮气加热蒸发，蒸发得到的废气由冷凝蒸发器K1顶部排出，通过304管道进入过冷器E2，过冷来自精馏塔底部经301管道进入的富氧液空，然后经305管道进入主换热器下段E1-2复热(复热到107.5～136.3K)，复热后从主换热器下段E1-2抽出经306管道进入废气膨胀机ET2降压降温(压力降为1.22bar(a)、温度降至93.3～100.6K)，降压降温后经307管道返回主换热器下段E1-2初步复热(复热到107.5～136.3K)，复热后经307A管道进入主换热器上段E1-1再次复热，然后从主换热器上段E1-1输出，输出的废气分为两部分，占分子筛纯化系统进口空气流量20-25％部分废气在主换热器E1-1中被加热到282K时从主换热器的顶部或上部经310管道进入分子筛纯化系统MS作为再生气，剩余部分废气则被加热到282K或318.1K从主换热器上段E1-1顶部输出经309管道放空或送入空气预冷系统RU回收冷量；
(5)、在精馏塔C1中上升气为来自步骤(2)中冷却到露点温度以下的原料空气，回流液为来自步骤(3)的部分液氮，利用气液间的温度差在精馏塔塔板上进行热质交换从而在精馏塔顶部得到氮气，底部得到富氧液空。
根据上述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，步骤(1)中空气经空气压缩机压缩到压力为4.75～8.8bar(a)；经空气预冷系统冷却至278～285K；经分子筛纯化系统净化后除去空气中的水和二氧化碳杂质，净化后的空气露点温度≤65℃，二氧化碳含量≤1PPm；
所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器E1-1、E1-2和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机；
所述分子筛纯化系统MS包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
本发明的积极有益效果：
1、采用本发明所述的返流膨胀可以直接获得的氮气压力为0.01～0.1MPa(1.1～2bar(a))，适合对氮气压力要求较低的用户，且氮气提取率保持在常规返流膨胀较高水平约58％。
2、采用本发明流程简单，设备一次投入较少。
3、采用本发明当精馏塔工作压力低于0.45MPa(5.5bar(a))时仍可以获取部分液氮，液体产品产量可以达到氮气产量的9％。
4、采用本发明当精馏塔工作压力在0.714MPa(8.14bar(a))时可获取液氮产品产量可以达到氮气产量的20％，此时氮提取率约为52％。
本发明一实施例显示，用户氮需求为800NM3/H、90Kpa，并要求具有一定的液体产量以备制氮装置短时故障使用，此时氮气提取率为58.8％，液氮产量为33NM3/H。本发明另一实施例显示，氮气产量为18830NM3/H、压力10Kpa，液氮产量达到1710NM3/H，液体产量为气体产量的9％，氮气提取率为59％。本发明再一实施例显示，氮气产量为18830NM3/H、压力10Kpa,液氮产量达到3766NM3/H，液体产量为气体产量的20％，氮气提取率为52％。
四、附图说明：
图1为本发明实施例1单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置结构示意图；
图1中：1为空气过滤器，2为空气压缩机，3为末级冷却器，4为空气预冷机，5为分子筛纯化系统，5-1为分子筛吸附器1,5-2为分子筛吸附器2,5-3为分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11，5-4为加热器，5-5为消音器，6为主换热器，7为精馏塔，8为过冷器，9为冷凝蒸发器，10为废气膨胀机，11为废气膨胀机驱动的增压机，12为氮气膨胀机，13为氮气膨胀机驱动的增压机，14为节流阀V1，15为节流阀V2，16为节流阀V3。
图2为本发明实施例3单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置结构示意图；
图2中：1为空气过滤器，2为空气压缩机，3为氮水预冷器，3-1空气冷却塔，3-2为水冷却塔，3-3冷水机组，3-4为水泵1，3-5为水泵2，4为分子筛纯化系统，4-1为分子筛吸附器1，4-2为分子筛吸附器2，4-3为分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11，4-4为加热器，4-5为消音器，5为主换热器，6为精馏塔，7为过冷器，8为冷凝蒸发器，9为废气膨胀机，10为废气膨胀机驱动的增压机，11为氮气膨胀机，12为氮气膨胀机驱动的增压机，13为节流阀V1，14为节流阀V2，15为节流阀V3。
图3为本发明实施例8单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置结构示意图；
图3中：1为空气过滤器，2为空气压缩机，3为末级冷却器，4为空气预冷机，5为分子筛纯化系统，5-1为分子筛吸附器1，5-2为分子筛吸附器2，5-3为分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11，5-4为加热器，5-5为消音器，6为主换热器上段，7为主换热器下段，8为精馏塔，9为过冷器，10为冷凝蒸发器，11为废气膨胀机，12为废气膨胀机驱动的增压机，13为氮气膨胀机，14为氮气膨胀机驱动的增压机，15为节流阀V1，15为节流阀V2，17为节流阀V3。
图4为本发明实施例10单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置结构示意图。
图4中：1为空气过滤器，2为空气压缩机，3为氮水预冷器，3-1空气冷却塔，3-2为水冷却塔，3-3冷水机组，3-4为水泵1，3-5为水泵2，4为分子筛纯化系统，4-1为分子筛吸附器1，4-2为分子筛吸附器2，4-3为分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11，4-4为加热器，4-5为消音器，5为主换热器上段，6为主换热器下段，7为精馏塔，8为过冷器，9为冷凝蒸发器，10为废气膨胀机，11为废气膨胀机驱动的增压机，12为氮气膨胀机，13为氮气膨胀机驱动的增压机，14为节流阀V1，15为节流阀V2，16为节流阀V3。
五、具体实施方式：
以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1：
该实施例以每小时生产800NM3、90KPa，氧含量≤10PPM的氮气，33NM3液氮的制氮装置为例：
参见附图1，本发明单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，包括空气过滤器1、空气压缩机2、末级冷却器3，空气预冷机4，分子筛纯化系统5(分子筛纯化系统5由分子筛吸附器5-1、分子筛吸附器5-2、分子筛自动切换程序控制的切换阀(KV1～KV11)5-3、加热器5-4和消音器5-5构成)、主换热器6、精馏塔7、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器9、过冷器8、节流阀(V1)14、节流阀(V2)15、节流阀(V3)16、废气膨胀机10、氮气膨胀机12、氮气膨胀机驱动的增压机13和废气膨胀机驱动的增压机11，两增压机进出口与大气相通，其具体连接关系为：
空气过滤器1的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机2的空气进气口连通，空气压缩机2的空气出气口经末级冷却器3后通过102管道与空气预冷机4的空气进气口连通，空气预冷机4的空气出气口通过103管道与分子筛纯化系统5的空气进气口连通；分子筛纯化系统5的空气出气口通过104管道与主换热器6的空气进气口连通，主换热器6的空气出气口通过105管道与精馏塔7下部空气进气口连通；
精馏塔7顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器6的氮气进口连通、通过202管道与冷凝蒸发器9的氮气进口连通，主换热器6的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机12的氮气进口连通，氮气膨胀机12的氮气出口通过205管道与主换热器6的另一氮气进口连通，主换热器6的另一氮气出口通过206输出管道排出收集；冷凝蒸发器9的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔7顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀(V1)14后排出收集；
精馏塔7底部富氧液空出口通过301管道与过冷器8的富氧液空进口连通，过冷器8的富氧液空出口通过302管道并经节流阀(V2)15后通过303管道与冷凝蒸发器9的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器9的废气出口通过304管道与过冷器8的废气进口连通，过冷器8的废气出口通过305管道与主换热器6的废气进口连通，主换热器6的废气出口通过306管道与废气膨胀机10的废气进口连通，废气膨胀机10的废气出口通过307管道与主换热器6的另一废气进口连通，主换热器6的另一废气管道出口308分别通过310管道经节流阀(V3)16与分子筛纯化系统5连通、通过309管道放空。
上述装置中，氮气膨胀机12和驱动的增压机13同步工作，废气膨胀机10和驱动的增压机11同步工作；所述主换热器6和过冷器8均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机，都采用风机制动；采用的空气预冷机4由蒸发器E41构成。
实施例2：利用实施例1所述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，所述方法的详细步骤如下：
(1)、来自大气中首先经过空气过滤器1除杂后的1815NM3/H的原料空气，经过101管道进入空气压缩机2中压缩到5.55bar(a)，压缩后经末级冷却器3后通过102管道进入空气预冷机4即蒸发器E41中冷却到280K，冷却后的空气经过103管道进入分子筛纯化系统5进行净化，除去水和二氧化碳杂质，得到净化后的原料空气(净化后的空气中二氧化碳含量≤1PPm；)；
(2)、步骤(1)净化后的原料空气通过104管道直接进入主换热器6冷却到98.8K(该条件下压力为5.25bar(a)、露点温度为98.9K)，使原料空气中含有5.3mol％(气相分率0.947)的液体，然后进入精馏塔7进行分离，分离后在精馏塔7顶部得到氮气1833NM3/H，底部得到富氧液空982NM3/H；
(3)、步骤(2)精馏塔7顶部得到的氮气分成两部分：一部分氮气800NM3/H通过203管道进入主换热器6复热到107.5K，然后从主换热器6中部抽出经过204管道进入氮气膨胀机12降压降温(压力从5bar(a)降到2bar(a)，同时温度从107.5K降低到87K)，降温降压后经过205管道返回到主换热器6复热至282K，然后出主换热器6经206输出管道排出收集，作为产品氮气输出，产品氮气压力为1.9bar(a)(表压约90KPa)；剩余部分氮气1033NM3/H通过202管道进入精馏塔7顶部的冷凝蒸发器9中冷却成液氮；得到的液氮分成两部分，一部分液氮33NM3/H作为产品液氮，通过403管道并经节流阀(V1)14节流后输出，剩余部分液氮1000NM3/H经402管道直接送回精馏塔顶部作为回流液；
(4)、步骤(2)精馏塔7底部得到的富氧液空982NM3/H(压力为5.23bar(a))通过301管道进入过冷器E2冷却(温度从98.7K过冷到96.7K)，然后经过302管道并经节流阀(V2)15节流到2.4bar(a)，通过303管道进入冷凝蒸发器9，在冷凝蒸发器9中富氧液空在2.4bar(a)下被来自精馏塔顶部的氮气加热蒸发，蒸发得到的废气由冷凝蒸发器9顶部排出，通过304管道进入过冷器8，过冷来自精馏塔底部经301管道进入的富氧液空，然后经305管道进入主换热器6复热到107.5K，复热后从主换热器6抽出经306管道进入废气膨胀机10，经废气膨胀机10降压降温(压力从2.31bar(a)降压到1.22bar(a)，温度从107.5K降到93.3K)，降压降温后经307管道返回到主换热器6，在主换热器6内被来自分子筛纯化系统5的原料空气加热至282K，然后从主换热器6顶部经308管道输出，输出的废气分为两部分，占分子筛纯化系统5进口空气流量20％的部分废气经310管道进入分子筛纯化系统5作为再生气，剩余部分废气经309管道放空；
(5)、在精馏塔7中上升气为来自步骤(2)中冷却到露点温度以下的原料空气，回流液为来自步骤(3)的部分液氮，利用气液间的温度差在精馏塔塔板上进行热质交换从而在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空。
上述实施例1装置和实施例2方法中所涉及到的工作参数详见表1。
表1 实施例1、2各管道中物料所涉及到的工作参数
101 102 103 104 105 201 202
温度 K 305 313 280 285 98.8 94.1 94.1
压力 bar(a) 0.98 5.55 5.47 5.4 5.25 5.05 5.05
气相分率 1 1 1 1 0.947 1 1
体积流量NM3/H 1815 1815 1815 1815 1815 1833.13721 1033.13721
露点温度K 81.354 99.679 99.501 99.322 98.957 94.143 94.143
Mole组分
N2 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781 0.997 0.997
O2 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209 0 0
AR 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.003 0.003
203 204 205 206 301 302 303
温度 K 94.1 107.5 87 282 98.7 96.7 89.2
压力 bar(a) 5.05 5 2 1.9 5.23 5.19 2.4
气相分率 1 1 1 1 0 0 0.079
体积流量NM3/H 800 800 800 800 982 982 982
露点温度 K 94.143 94.016 83.615 83.112 101.914 101.813 92.641
Mole组分
N2 0.997 0.997 0.997 0.997 0.598 0.598 0.598
O2 0 0 0 0 0.387 0.387 0.387
AR 0.003 0.003 0.003 0.003 0.015 0.015 0.015
304 305 306 307 308 401 402
温度 K 92.6 96.4 107.5 93.3 282 94.1 94.1
压力 bar(a) 2.4 2.36 2.31 1.22 1.12 5.05 5.05
气相分率 1 1 1 1 1 0 0
体积流量NM3/H 982 982 982 982 982 1033.13721 1000.13721
露点温度 K 92.63 92.449 92.22 85.92 85.16 94.133 94.133
Mole组分
N2 0.598 0.598 0.598 0.598 0.598 0.997 0.997
O2 0.387 0.387 0.387 0.387 0.387 0 0
AR 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.003 0.003
403
温度 K 94.1
压力 bar(a) 5.05
气相分率 0
体积流量NM3/H 33
露点温度 K 94.133
Mole组分
N2 0.997
O2 0
AR 0.003
实施例3：
该实施例以每小时生产18830NM3、10KPa，氧含量小于10PPM氮气，1710NM3液氮的制氮装置为例：
参见附图2，本发明单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，包括空气过滤器1、空气压缩机2、氮水预冷器3(氮水预冷器3由3-1空气冷却塔、3-2为水冷却塔、3-3冷水机组、3-4为水泵1和3-5为水泵2构成)，分子筛纯化系统4(分子筛纯化系统4由分子筛吸附器4-1、分子筛吸附器4-2、分子筛自动切换程序控制的切换阀(KV1～KV11)4-3、加热器4-4和消音器4-5构成)、主换热器5、精馏塔6、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器8、过冷器7、节流阀(V1)13、节流阀(V2)14、节流阀(V3)15、废气膨胀机9、氮气膨胀机11、氮气膨胀机驱动的增压机12和废气膨胀机驱动的增压机10，两增压机进出口通过管道依次连接于分子筛纯化系统4和主换热器5之间，其具体连接关系为：
空气过滤器1的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机2的空气进气口连通，空气压缩机2的空气出气口通过102管道与氮水预冷器3中的空气冷却塔3-1的空气进口连通，空气冷却塔3-1的空气出口通过103管道与分子筛纯化系统4的空气进气口连通；分子筛纯化系统4的空气出气口通过104管道与氮气膨胀机11驱动的增压机12的空气进口连通，增压机12的空气出口通过104A管道与废气膨胀机9驱动的增压机10的空气进口连通，增压机10的空气出口通过104B管道与主换热器5的空气进气口连通，主换热器5的空气出气口通过105管道与精馏塔6下部空气进气口连通；
精馏塔6顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器5的氮气进口连通、通过202管道与冷凝蒸发器8的氮气进口连通，主换热器5的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机11的氮气进口连通，氮气膨胀机11的氮气出口通过205管道与主换热器5的另一氮气进口连通，主换热器5的另一氮气出口通过206输出管道排出收集；冷凝蒸发器8的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔6顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀(V1)13后排出收集；
精馏塔6底部富氧液空出口通过301管道与过冷器7的富氧液空进口连通，过冷器7的富氧液空出口通过302管道并经节流阀(V2)14后通过303管道与冷凝蒸发器8的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器8的废气出口通过304管道与过冷器7的废气进口连通，过冷器7的废气出口通过305管道与主换热器5的废气进口连通，主换热器5的废气出口通过306管道与废气膨胀机9的废气进口连通，废气膨胀机9的废气出口通过307管道与主换热器5的另一废气进口连通，主换热器5的另一废气管道出口分别从主换热器5上部出口通过310管道经节流阀(V3)15与分子筛纯化系统4连通、从主换热器5顶部出口通过309管道接入氮水预冷器3中的水冷却塔3-2中回收冷量。
上述装置中，氮气膨胀机11和驱动的增压机12同步工作，废气膨胀机9和驱动的增压机10同步工作；所述主换热器5和过冷器7均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为油轴承透平膨胀机。氮水预冷器3中的3-4水泵为空气冷却塔3-1下部提供冷却水，水冷却塔3-2中的水冷却后依次经水泵3-5和冷水机组3-3再次冷却后为空气冷塔3-1上部提供冷冻水。
实施例4：利用实施例所述3装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，所述方法的详细步骤如下：
(1)、来自大气中首先经过空气过滤器1除杂后的44550NM3/H的原料空气，经过101管道进入空气压缩机2中压缩到4.75bar(a)，压缩后通过102管道进入氮水预冷器3中的空气冷却塔3-1中冷却到283K，冷却后的空气经过103管道进入分子筛纯化系统4进行净化，除去水和二氧化碳杂质，得到净化后的原料空气(所得原料空气中二氧化碳含量≤1PPm)；
(2)、步骤(1)净化后的原料空气通过104管道依次经氮气膨胀机11驱动的增压机12、废气膨胀机9驱动的增压机10进一步提升原料空气的压力至5.4bar(a)，5.4bar(a)的原料空气通过104B管道进入主换热器5冷却到98.8K(压力5.25bar(a)，对应露点温度为98.9K)，使原料空气中含有4.7mol％(气相分率0.953)的液体，然后进入精馏塔6进行分离，分离后在精馏塔6顶部得到氮气45278NM3/H，底部得到富氧液空24010NM3/H；
(3)、步骤(2)精馏塔6顶部得到的氮气分成两部分：一部分氮气18830NM3/H通过203管道进入主换热器5复热到118K，然后从主换热器5中部抽出经过204管道进入氮气膨胀机11降压降温(压力从5bar(a)降到1.22bar(a)，同时温度从118K降低到82.6K)，降温降压后经过205管道返回到主换热器5复热至303.9K，然后出主换热器5经206输出管道排出收集，作为产品氮气输出；剩余部分氮气26448NM3/H通过202管道进入精馏塔6顶部的冷凝蒸发器8中冷却成液氮；得到的液氮分成两部分，一部分液氮1710NM3/H作为产品液氮，通过403管道并经节流阀(V1)13节流后输出，剩余部分液氮24738NM3/H经402管道直接送回精馏塔顶部作为回流液；
(4)、步骤(2)精馏塔底部得到的富氧液空24010NM3/H(压力为5.23bar(a))通过301管道进入过冷器7冷却(温度从98.7K过冷到96.7K)，然后经过302管道并经节流阀(V2)14节流到2.39bar(a)，通过303管道进入冷凝蒸发器8，在冷凝蒸发器8中富氧液空在2.39bar(a)下被来自精馏塔6顶部的氮气加热蒸发，蒸发得到的废气由冷凝蒸发器8顶部排出，通过304管道进入过冷器7，过冷来自精馏塔底部经301管道进入的富氧液空，然后经305管道进入主换热器5复热到107.5K，复热后从主换热器5抽出经306管道进入废气膨胀机9，经废气膨胀机9降压降温(压力从2.3bar(a)降压到1.22bar(a)，温度从118K降到100.6K)，降压降温后经307管道返回到主换热器5，在主换热器5内被来自分子筛纯化系统4的原料空气加热，主换热器5中的废气分为两部分：其中占分子筛纯化系统4进口原料空气流量20％部分废气被加热到285K从主换热器5上部出口抽出，并经310管道进入分子筛纯化系统4作为再生气；剩余部分废气在主换热器内继续加热至303.9K从顶部抽出，然后经309管道送入氮水预冷器3中的水冷却塔3-2中回收冷量；
(5)、在精馏塔6中上升气为来自步骤(2)中冷却到露点温度以下的原料空气，回流液为来自步骤(3)的部分液氮，利用气液间的温度差在精馏塔塔板上进行热质交换从而在精馏塔6顶部得到氮气，底部得到富氧液空。
实施例3、4所述装置及方法中所涉及到的工作参数见详表2。
表2 实施例3、4各管道中物料所涉及到的工作参数
101 102 103 104 104A 104B 105
温度 K 305 313 283 288 299.7 306.9 98.8
压力 bar(a) 0.98 4.75 4.67 4.6 5.11 5.4 5.25
气相分率 1 1 1 1 1 1 0.953
体积流量NM3/H 44550 44550 44550 44550 44550 44550 44550
露点温度K 81.354 97.682 97.482 97.281 98.611 99.322 98.957
Mole组分
N2 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781
O2 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209
AR 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009
201 202 203 204 205 206 301
温度 K 94.1 94.1 94.1 118 82.6 303.9 98.7
压力 bar(a) 5.05 5.05 5.05 5 1.22 1.12 5.23
气相分率 1 1 1 1 1 1 0
体积流量NM3/H 45278.2862 26448.2862 18830 18830 18830 18830 24010
露点温度K 94.142 94.142 94.142 94.015 78.928 78.187 101.938
Mole组分
N2 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.597
O2 0 0 0 0 0 0 0.389
AR 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.015
302 303 304 305 306 307 309
温度 K 96.7 89.3 92.6 96.4 118 100.6 303.9
压力 bar(a) 5.19 2.4 2.39 2.35 2.3 1.22 1.12
气相分率 0 0.079 1 1 1 1 1
体积流量NM3/H 24010 24010 24010 24010 24010 24010 15090
露点温度K 101.837 92.662 92.634 92.453 92.223 85.94 85.18
Mole组分
N2 0.597 0.597 0.597 0.597 0.597 0.597 0.597
O2 0.389 0.389 0.389 0.389 0.389 0.389 0.389
AR 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015
310 401 402 403
温度 K 285 94.1 94.1 94.1
压力 bar(a) 1.22 5.05 5.05 5.05
气相分率 1 0 0 0
体积流量NM3/H 8920 26448.2862 24738.2862 1710
露点温度K 85.94 94.133 94.133 94.133
Mole组分
N2 0.597 0.997 0.997 0.997
O2 0.389 0 0 0
AR 0.015 0.003 0.003 0.003
实施例5：
与实施例1中所述装置基本相同，不同之处该实施例因装置中各设备设计参数不同，从而每小时可以生产800NM3、12KPa，氧含量小于10PPM的氮气，以及54NM3液氮。
该实施例中装置的工作参数详见表3。
表3 实施例5所述装置中各管道的工作参数
101 102 103 104 105 201 202
温度 K 305 313 280 285 98.7 94.1 94.1
压力 bar(a) 0.98 5.55 5.47 5.4 5.25 5.05 5.05
气相分率 1 1 1 1 0.939 1 1
体积流量NM3/H 1875 1875 1875 1875 1875 1876.60567 1076.60567
露点温度K 81.354 99.679 99.501 99.322 98.957 94.141 94.141
Mole组分
N2 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781 0.997 0.997
O2 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209 0 0
AR 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.003 0.003
203 204 205 206 301 302 303
温度 K 94.1 109.5 79.6 282 98.7 96.7 89.3
压力 bar(a) 5.05 5 1.22 1.12 5.23 5.19 2.41
气相分率 1 1 1 1 0 0 0.078
体积流量NM3/H 800 800 800 800 1021 1021 1021
露点温度K 94.141 94.014 78.927 78.186 101.876 101.775 92.651
Mole组分
N2 0.997 0.997 0.997 0.997 0.601 0.601 0.601
O2 0 0 0 0 0.385 0.385 0.385
AR 0.003 0.003 0.003 0.003 0.015 0.015 0.015
304 305 306 307 308 401 402
温度 K 92.6 96.4 109.5 95 282 94.1 94.1
压力 bar(a) 2.41 2.37 2.32 1.22 1.12 5.05 5.05
气相分率 1 1 1 1 1 0 0
体积流量NM3/H 1021 1021 1021 1021 1021 1076.60567 1022.60567
露点温度 K 92.631 92.451 92.222 85.887 85.128 94.131 94.131
Mole组分
N2 0.601 0.601 0.601 0.601 0.601 53.841 53.841
O2 0.385 0.385 0.385 0.385 0.385 0 0
AR 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.158 0.158
403
温度 K 94.1
压力 bar(a) 5.05
气相分率 0
体积流量NM3/H 54
露点温度 K 94.131
Mole组分
N2 53.841
O2 0
AR 0.158
实施例6：
与实施例1、实施例3中所述装置基本相同，不同之处该实施例因装置中各设备设计参数不同，从而每小时可以生产800NM3、12KPa，氧含量小于10PPM氮气，以及160NM3液氮。
该实施例中装置的工作参数详见表4。
表4 实施例6所述装置中各管道的工作参数
101 102 103 104 105 201 202
温度 K 305 313 280 285 105.3 100.9 100.9
压力 bar(a) 0.98 8.8 8.72 8.65 8.5 8.29 8.29
气相分率 1 1 1 1 0.912 1 1
体积流量NM3/H 2450 2450 2450 2450 2450 2398.27035 1598.27035
露点温度 K 81.354 106.109 105.982 105.855 105.597 100.897 100.897
Mole组分
N2 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781 0.999 0.999
O2 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209 0 0
AR 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.001 0.001
203 204 205 206 301 302 303
温度 K 100.9 127 83.1 282 105.2 103.6 96.4
压力 bar(a) 8.29 8.24 1.22 1.12 8.47 8.43 4.52
气相分率 1 1 1 1 0 0 0.086
体积流量NM3/H 800 800 800 800 1490 1490 1490
露点温度K 100.897 100.809 78.904 78.163 107.971 107.901 99.385
Mole组分
N2 0.999 0.999 0.999 0.999 0.641 0.641 0.641
O2 0 0 0 0 0.344 0.344 0.344
AR 0.001 0.001 0.001 0.001 0.014 0.014 0.014
304 305 306 307 308 401 402
温度 K 99.4 102.5 127 95.9 282 100.9 100.9
压力 bar(a) 4.52 4.48 4.43 1.22 1.12 8.29 8.29
气相分率 1 1 1 1 1 0 0
体积流量NM3/H 1490 1490 1490 1490 1490 1598.27035 1438.27035
露点温度 K 99.385 99.273 99.133 85.347 84.592 100.891 100.891
Mole组分
N2 0.641 0.641 0.641 0.641 0.641 0.999 0.999
O2 0.344 0.344 0.344 0.344 0.344 0 0
AR 0.014 0.014 0.014 0.014 0.014 0.001 0.001
403
温度 K 100.9
压力 bar(a) 8.29
气相分率 0
体积流量NM3/H 160
露点温度 K 100.891
Mole组分
N2 0.999
O2 0
AR 0.001
实施例7：
与实施例3中所述装置基本相同，不同之处该实施例因装置中各设备设计参数不同，从而每小时可以生产18830NM3、12KPa，氧含量小于10PPM氮气，3766NM3液氮。
该实施例中装置的工作参数详见表5。
表5 实施例7所述装置中各管道的工作参数
101 102 103 104 104A 104B 105
温度 K 305 313 283 288 302.2 321.1 105.1
压力 bar(a) 0.98 6.56 6.49 6.41 7.28 8.5 8.35
气相分率 1 1 1 1 1 1 0.934
体积流量NM3/H 55500 55500 55500 55500 55500 55500 55500
露点温度 K 81.354 101.919 101.762 101.603 103.367 105.597 105.336
Mole组分
N2 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781 0.781
O2 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209 0.209
AR 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009
201 202 203 204 205 206 301
温度 K 100.6 100.6 100.6 136.3 84.9 318.1 105
压力 bar(a) 8.14 8.14 8.14 8.09 1.22 1.12 8.32
气相分率 1 1 1 1 1 1 0
体积流量NM3/H 55641.4818 36811.4818 18830 18830 18830 18830 32904
露点温度 K 100.646 100.646 100.646 100.556 78.918 78.177 107.85
Mole组分
N2 0.998 0.998 0.998 0.998 0.998 0.998 0.632
O2 0 0 0 0 0 0 0.353
AR 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.014
302 303 304 305 306 307 309
温度 K 103.2 96.1 99.1 102.7 136.3 99.6 318.1
压力 bar(a) 8.28 4.39 4.39 4.35 4.3 1.22 1.12
气相分率 0 0.084 1 1 1 1 1
体积流量NM3/H 32904 32904 32904 32904 32904 32904 21804
露点温度 K 107.778 99.135 99.135 99.021 98.877 85.465 84.71
Mole组分
N2 0.632 0.632 0.632 0.632 0.632 0.632 0.632
O2 0.353 0.353 0.353 0.353 0.353 0.353 0.353
AR 0.014 0.014 0.014 0.014 0.014 0.014 0.014
310 401 402 403
温度 K 285 100.6 100.6 100.6
压力 bar(a) 1.22 8.14 8.14 8.14
气相分率 1 0 0 0
体积流量NM3/H 11100 36811.4818 33045.4818 3766
露点温度 K 85.465 100.639 100.639 100.639
Mole组分
N2 0.632 0.998 0.998 0.998
O2 0.353 0 0 0
AR 0.014 0.002 0.002 0.002
实施例8：与实施例1基本相同，不同之处在于：
主换热器E1采用组合式，即主换热器E1分成上段E1-1即主换热器上段和下段E1-2即主换热器下段两部分。
该实施例与实施例1同样以每小时生产800NM3、90KPa，氧含量小于10PPM氮气，33NM3液氮的制氮装置为例：
参见附图3，本发明单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，包括空气过滤器1、空气压缩机2、末级冷却器3，空气预冷机4、分子筛纯化系统5(分子筛纯化系统5由分子筛吸附器5-1、分子筛吸附器5-2、分子筛自动切换程序控制的切换阀(KV1～KV11)5-3、加热器5-4和消音器5-5构成)、主换热器上段6、主换热器下段7、精馏塔8、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器10、过冷器9、节流阀(V1)15、节流阀(V2)16、节流阀(V3)17、废气膨胀机11、氮气膨胀机13、氮气膨胀机驱动的增压机14和废气膨胀机驱动的增压机12，两增压机进出口与大气相通，其具体连接关系为：
空气过滤器1的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机2的空气进气口连通，空气压缩机2的空气出气口经末级冷却器3后通过102管道与空气预冷机4的空气进气口连通，空气预冷机4的空气出气口通过103管道与分子筛纯化系统5的空气进气口连通；分子筛纯化系统5的空气出气口通过104管道与主换热器上段6的空气进气口连通，主换热器上段6的空气出气口通过104C管道与主换热器下段7的空气进口连通，主换热器下段7的空气出口通过105管道与精馏塔8下部空气进气口连通；
精馏塔8顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器下段7的氮气进口连通、通过202管道与冷凝蒸发器10的氮气进口连通，主换热器下段7的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机13的氮气进口连通，氮气膨胀机13的氮气出口通过205管道与主换热器下段7的另一氮气进口连通，主换热器下段7的另一氮气出口通过205A管道与主换热器上段6的氮气进口连通，主换热器上段6的氮气出口通过206输出管道排出收集；冷凝蒸发器10的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔8顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀(V1)15后排出收集；
精馏塔8底部富氧液空出口通过301管道与过冷器9的富氧液空进口连通，过冷器9的富氧液空出口通过302管道并经节流阀(V2)16后通过303管道与冷凝蒸发器10的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器10的废气出口通过304管道与过冷器9的废气进口连通，过冷器9的废气出口通过305管道与主换热器下段7的废气进口连通，主换热器下段7的废气出口通过306管道与废气膨胀机11的废气进口连通，废气膨胀机11的废气出口通过307管道与主换热器下段7的另一废气进口连通，主换热器下段7的另一废气出口通过307A管道与主换热器上段6的废气进口连通，主换热器上段6的废气管道出口308分别通过310管道经节流阀(V3)17与分子筛纯化系统5连通、通过309管道放空。
上述装置中，氮气膨胀机13和驱动的增压机14同步工作，废气膨胀机11和驱动的增压机12同步工作；所述主换热器上段、主换热器下段7和过冷器9均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机，都采用风机制动。
实施例9：利用实施例8所述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，该方法与实施例2不同之处在于：
主换热器E1采用组合式即将主换热器E1在冷流体侧温度为107.5K处将主换热器E1分成上段E1-1即主换热器上段6和下段E1-2即主换热器下段7两部分，此时原料空气经104C管道出上段E1-1时温度为117.27K。
实施例10：与实施例3基本相同，不同之处在于：
主换热器E1采用组合式，即主换热器E1分成上段E1-1即主换热器上段5和下段E1-2即主换热器下段6两部分。
该实施例与实施例3同样以每小时生产18830NM3、12KPa，氧含量小于10PPM氮气，1710NM3液氮的制氮装置为例：
参见附图4，本发明单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，包括空气过滤器1、空气压缩机2、氮水预冷器3(氮水预冷器3由3-1空气冷却塔、3-2为水冷却塔、3-3冷水机组、3-4为水泵1和3-5为水泵2构成)，分子筛纯化系统4(分子筛纯化系统4由分子筛吸附器4-1、分子筛吸附器4-2、分子筛自动切换程序控制的切换阀(KV1～KV11)4-3、加热器4-4和消音器4-5构成)、主换热器上段5、主换热器下段6、精馏塔7、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器9、过冷器8、节流阀(V1)14、节流阀(V2)15、节流阀(V3)16、废气膨胀机10、氮气膨胀机12、氮气膨胀机驱动的增压机13和废气膨胀机驱动的增压机11，两增压机进出口通过管道依次连接于分子筛纯化系统4和主换热器上段5之间，其具体连接关系为：
空气过滤器1的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机2的空气进气口连通，空气压缩机2的空气出气口通过102管道与氮水预冷器3中的空气冷却塔3-1的空气进口连通，空气冷却塔3-1的空气出口通过103管道与分子筛纯化系统4的空气进气口连通；分子筛纯化系统4的空气出气口通过104管道与氮气膨胀机12驱动的增压机13的空气进口连通，增压机13的空气出口通过104A管道与废气膨胀机10驱动的增压机11的空气进口连通，增压机11的空气出口通过104B管道与主换热器上段5的空气进气口连通，主换热器上段5的空气出气口通过104C管道与主换热器下段6的空气进口连通，主换热器下段6的空气出口通过105管道与精馏塔7下部空气进气口连通；
精馏塔7顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器下段6的氮气进口连通、通过202管道与冷凝蒸发器9的氮气进口连通，主换热器下段6的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机12的氮气进口连通，氮气膨胀机12的氮气出口通过205管道与主换热器下段6的另一氮气进口连通，主换热器下段6的另一氮气出口通过205A管道与主换热器上段5的氮气进口连通，主换热器上段5的氮气出口通过206输出管道排出收集；冷凝蒸发器9的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔7顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀(V1)14后排出收集；
精馏塔7底部富氧液空出口通过301管道与过冷器8的富氧液空进口连通，过冷器8的富氧液空出口通过302管道并经节流阀(V2)15后通过303管道与冷凝蒸发器9的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器9的废气出口通过304管道与过冷器8的废气进口连通，过冷器8的废气出口通过305管道与主换热器下段6的废气进口连通，主换热器下段6的废气出口通过306管道与废气膨胀机10的废气进口连通，废气膨胀机10的废气出口通过307管道与主换热器下段6的另一废气进口连通，主换热器下段6的另一废气出口通过307A管道与主换热器上段5的废气进口连通，主换热器上段5的废气分别从主换热器上段5上部出口通过310管道经节流阀(V3)16与分子筛纯化系统4连通、从主换热器上段5顶部出口通过309管道接入氮水预冷器3中的水冷却塔3-2中回收冷量。
上述装置中，氮气膨胀机12和驱动的增压机13同步工作，废气膨胀机10和驱动的增压机11同步工作；所述主换热器上段5和主换热器下段6和过冷器8均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为油轴承透平膨胀机。
上述装置中，氮水预冷器3中的3-4水泵为空气冷却塔3-1下部提供冷却水，水冷却塔3-2中的水冷却后依次经水泵3-5和冷水机组3-3再次冷却后为空气冷塔3-1上部提供冷冻水。
实施例11：利用实施例10所述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，与实施例4不同之处在于：
主换热器E1采用组合式即将主换热器E1在冷流体侧温度为118K处将主换热器E1分成上段E1-1即主换热器上段5和下段E1-2即主换热器下段6两部分，此时原料空气经104C管道出上段E1-1时温度为135K。
上述实施例5-7主换热器也可以采用组合式，参照实施例8、实施例10将主换热器E1在各自冷流体侧温度为109.5K、127K、136.3K处将主换热器E1分成上段E1-1和下段E1-2两部分，此时原料空气经104C管道出上段E1-1时温度为121.17K、144.85、162.17K。

Claims (10)

1.一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，其特征在于，包括空气过滤器AF、空气压缩机TC、空气预冷系统RU、分子筛纯化系统MS、主换热器E1、精馏塔C1、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器K1、过冷器E2、节流阀、废气膨胀机ET2、氮气膨胀机ET1、氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2，两增压机进出口分别与大气相通或通过管道依次连接于分子筛纯化系统MS和主换热器E1之间，各设备之间通过管道相连通，连接关系为：
空气过滤器AF的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机TC的空气进气口连通，空气压缩机TC的空气出气口通过102管道与空气预冷系统RU的空气进气口直接连通或者经末级冷却器WE后与空气预冷系统RU的空气进气口连通，空气预冷系统RU的空气出气口通过103管道与分子筛纯化系统MS的空气进气口连通；分子筛纯化系统的空气出气口通过104管道与主换热器E1的空气进气口直接连通或者分子筛纯化系统MS的空气出气口通过104管道依次经氮气增压机BT1和废气增压机BT2后与主换热器E1的空气进气口连通，主换热器E1的空气出气口通过105管道与精馏塔C1下部空气进气口连通；
精馏塔C1顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器E1的氮气进口连通、通过202管道与冷凝蒸发器K1的氮气进口连通，主换热器E1的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机ET1的氮气进口连通，氮气膨胀机ET1的氮气出口通过205管道与主换热器E1的另一氮气进口连通，主换热器E1的另一氮气出口通过206输出管道排出收集；冷凝蒸发器K1的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔C1顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀V1后排出收集；
精馏塔C1底部富氧液空出口通过301管道与过冷器E2的富氧液空进口连通，过冷器E2的富氧液空出口通过302管道并经节流阀V2后通过303管道与冷凝蒸发器K1的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器K1的废气出口通过304管道与过冷器E2的废气进口连通，过冷器E2的废气出口通过305管道与主换热器E1的废气进口连通，主换热器E1的废气出口通过306管道与废气膨胀机ET2的废气进口连通，废气膨胀机ET2的废气出口通过307管道与主换热器E1的另一废气进口连通，主换热器E1的另一废气出口分别通过310管道与分子筛纯化系统MS连通、通过309管道排出或者与空气预冷系统RU连通。
2.根据权利要求1所述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，其特征在于：所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器E1和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机。
3.根据权利要求1所述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，其特征在于：所述分子筛纯化系统包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
4.一种利用权利要求1所述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)、原料空气首先经过空气过滤器AF除杂，除杂后经过101管道进入空气压缩机TC进行压缩，压缩后通过102管道直接进入空气预冷系统RU或者经末级冷却器WE后进入空气预冷系统RU进行冷却，冷却后的空气经过103管道进入分子筛纯化系统MS进行净化，得到净化后的原料空气；
(2)、步骤(1)净化后的原料空气通过104管道直接进入主换热器E1冷却到露点温度以下，使原料空气中含有液体，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
或者步骤(1)净化后的原料空气经过104管道后依次进入氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2进行再次增压，原料空气经过增压后进入主换热器E1冷却到露点温度以下，使原料空气中含有液体，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
(3)、步骤(2)精馏塔C1顶部得到的氮气分成两部分：部分氮气通过203管道进入主换热器E1复热，然后从主换热器E1中部抽出经过204管道进入氮气膨胀机ET1降压降温，降温降压后经过205管道返回到主换热器E1进行复热，然后出主换热器E1经206输出管道排出收集，作为产品氮气输出；剩余部分氮气通过202管道进入精馏塔C1顶部的冷凝蒸发器K1冷却成液氮；得到的液氮分成两部分，部分液氮作为产品液氮，通过403管道并经节流阀V1节流后输出，剩余部分液氮经402管道直接送回精馏塔顶部作为回流液；
(4)、步骤(2)精馏塔底部得到的富氧液空通过301管道进入过冷器E2冷却，然后经过302管道并经节流阀V2节流后，通过303管道进入冷凝蒸发器K1，在冷凝蒸发器K1中富氧液空被来自精馏塔顶部的氮气加热蒸发，蒸发得到的废气由冷凝蒸发器K1顶部排出，通过304管道进入过冷器E2，过冷来自精馏塔底部经301管道进入的富氧液空，然后经305管道进入主换热器E1复热，复热后从主换热器E1中部抽出经306管道进入废气膨胀机ET2，经废气膨胀机ET2降压降温，降压降温后经307管道返回到主换热器E1，在主换热器E1内被来自分子筛纯化系统MS的原料空气加热，然后从主换热器E1输出，输出的废气分为两部分，部分废气从主换热器E1顶部或上部输出经310管道经进入分子筛纯化系统MS作为再生气，剩余部分废气从主换热器E1顶部输出经309管道放空或送入空气预冷系统RU回收冷量；
(5)、在精馏塔C1中上升气为来自步骤(2)中冷却到露点温度以下的原料空气，回流液为来自步骤(3)的部分液氮，利用气液间的温度差在精馏塔塔板上进行热质交换从而在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空。
5.根据权利要求4所述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，其特征在于：步骤(1)中空气经空气压缩机TC压缩到压力为4.75～8.8bar(a)；经空气预冷系统RU冷却至278～285K；经分子筛纯化系统MS净化后除去空气中的水和二氧化碳杂质，净化后的空气露点温度≤65℃，二氧化碳含量≤1PPm；
所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器E1和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机；
所述分子筛纯化系统包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
6.一种单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，其特征在于，包括空气过滤器AF、空气压缩机TC、空气预冷系统RU、分子筛纯化系统MS、主换热器上段E1-1、主换热器下段E1-2、精馏塔C1、设置在精馏塔顶部的冷凝蒸发器K1、过冷器E2、节流阀、废气膨胀机ET2、氮气膨胀机ET1、氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2，两增压机进出口分别与大气相通或通过管道依次连接于分子筛纯化系统MS和主换热器上段E1-1之间，各设备之间通过管道相连通，连接关系为：
空气过滤器AF的进气口为原料空气输入口，其出气口通过101管道与空气压缩机TC的空气进气口连通，空气压缩机TC的空气出气口通过102管道与空气预冷系统RU的空气进气口直接连通或者经末级冷却器WE后与空气预冷系统RU的空气进气口连通，空气预冷系统RU的空气出气口通过103管道与分子筛纯化系统MS的空气进气口连通；分子筛纯化系统MS的空气出气口通过104管道依次与主换热器上段E1-1、下段E1-2连通或者分子筛纯化系统MS的空气出气口通过104管道依次经氮气增压机和废气增压机后与主换热器上段E1-1、下段E1-2连通，主换热器下段E1-2的空气出气口通过105管道与精馏塔C1下部空气进气口连通；
精馏塔C1顶部氮气201管道出口分别通过203管道与主换热器下段E1-2的氮气进口连通、通过202管道和冷凝蒸发器K1的氮气进口连通，主换热器下段E1-2的氮气出口通过204管道与氮气膨胀机ET1的氮气进口连通，氮气膨胀机ET1的氮气出口通过205管道与主换热器下段E1-2的另一氮气进口连通，主换热器下段E1-2的另一氮气出口通过205A管道和主换热器上段E1-1的氮气进口连通，主换热器上段E1-1的氮气出口经206输出管道排出收集；冷凝蒸发器K1的液氮401管道出口分别通过402管道与精馏塔C1顶部液氮进口连通、通过403输出管道并经节流阀V1后排出收集；
精馏塔C1底部富氧液空出口通过301管道与过冷器E2的富氧液空进口连通，过冷器E2的富氧液空出口通过302管道并经节流阀V2后通过303管道与冷凝蒸发器K1的富氧液空进口连通，冷凝蒸发器K1的废气出口通过304管道与过冷器E2的废气进口连通，过冷器E2的废气出口通过305管道与主换热器下段E1-2的废气进口连通，主换热器下段E1-2的废气出口通过306管道与废气膨胀机ET2的废气进口连通，废气膨胀机ET2的废气出口通过307管道与主换热器下段E1-2的另一废气进口连通，主换热器下段E1-2的另一废气出口经307A管道与主换热器上段E1-1的废气进口连通，主换热器上段E1-1的废气出口分别通过310管道与分子筛纯化系统MS连通、通过309管道排出或者与空气预冷系统RU连通。
7.根据权利要求6所述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，其特征在于：所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器上段E1-1、下段E1-2和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机。
8.根据权利要求6所述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的装置，其特征在于：所述分子筛纯化系统MS包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
9.一种利用权利要求6所述装置进行单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)、原料空气首先经过空气过滤器AF除杂，除杂后经过101管道进入空气压缩机TC进行压缩，压缩后通过102管道直接进入空气预冷系统RU或者经末级冷却器WE后进入空气预冷系统RU进行冷却，冷却后的空气经过103管道进入分子筛纯化系统MS进行净化，得到净化后的原料空气；
(2)、步骤(1)净化后的原料空气通过104管道直接依次进入主换热器上段E1-1、下段E1-2冷却到露点温度以下，使原料空气中含有液体，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
或者步骤(1)净化后的原料空气经过104管道依次进入氮气膨胀机驱动的增压机BT1和废气膨胀机驱动的增压机BT2再次增压，增压后的原料空气经过104B管道进入主换热器上段E1-1初步冷却，冷却后经过104C管道进入主换热器下段E1-2冷却到露点温度以下，使原料空气中含有液体，然后进入精馏塔C1进行分离，分离后在精馏塔C1顶部得到氮气，底部得到富氧液空；
(3)、步骤(2)精馏塔C1顶部得到的氮气分成两部分：部分氮气通过203管道进入主换热器下段E1-2复热，然后从主换热器下段E1-2抽出经过204管道进入氮气膨胀机ET1降压降温，降温降压后经过205管道返回主换热器下段E1-2初步复热，然后出主换热器下段E1-2经205A管道进入主换热器上段E1-1中再次复热，复热后经206输出管道排出收集，作为产品氮气输出；剩余部分氮气通过202管道进入精馏塔C1顶部的冷凝蒸发器K1冷却成液氮；得到的液氮分成两部分，部分液氮作为产品液氮，通过403管道并经节流阀V1节流后输出；剩余部分液氮经402管道直接送回精馏塔顶部作为回流液；
(4)、步骤(2)精馏塔底部得到的富氧液空通过301管道进入过冷器E2进行冷却，然后经过302管道并经节流阀V2节流后，通过303管道进入冷凝蒸发器K1，在冷凝蒸发器K1中富氧液空被来自精馏塔顶部的氮气加热蒸发，蒸发得到的废气由冷凝蒸发器K1顶部排出，通过304管道进入过冷器E2，过冷来自精馏塔底部经301管道进入的富氧液空，然后经305管道进入主换热器下段E1-2复热，复热后从主换热器下段E1-2抽出经306管道进入废气膨胀机ET2降压降温，降压降温后经307管道返回主换热器下段E1-2初步复热，复热后经307A管道进入主换热器上段E1-1再次复热，然后从主换热器上段E1-1输出，输出的废气分为两部分，部分废气经310管道进入分子筛纯化系统MS作为再生气或者部分废气由主换热器上段E1-1上部输出经310管道进入分子筛纯化系统MS作为再生气，剩余部分废气经309管道放空或送入空气预冷系统RU回收冷量；
(5)、在精馏塔C1中上升气为来自步骤(2)中冷却到露点温度以下的原料空气，回流液为来自步骤(3)的部分液氮，利用气液间的温度差在精馏塔塔板上进行热质交换从而在精馏塔顶部得到氮气，底部得到富氧液空。
10.根据权利要求9所述的单塔双返流膨胀制取低压氮气的方法，其特征在于：步骤(1)中空气经空气压缩机压缩到压力为4.75～8.8bar(a)；经空气预冷系统冷却至278～285K；经分子筛纯化系统净化后除去空气中的水和二氧化碳杂质，净化后的空气露点温度≤65℃，二氧化碳含量≤1PPm；
所述氮气膨胀机ET1和驱动的增压机BT1同步工作，废气膨胀机ET2和驱动的增压机BT2同步工作；所述主换热器E1-1、E1-2和过冷器E2均为板翅式换热器；所述氮气膨胀机和废气膨胀机均为气体轴承透平膨胀机或油轴承透平膨胀机；
所述分子筛纯化系统MS包括至少两个分子筛吸附器MS1/MS2、一个加热器EH和一套分子筛自动切换程序控制的切换阀KV1～KV11；
所述空气预冷系统为空气预冷机或氮水预冷器；所述空气预冷系统为空气预冷机时，空气预冷机包括至少一个蒸发器E41；所述空气预冷系统为氮水预冷器时，氮水预冷器包括至少一个空气冷却塔AT、一个水冷却塔WT、两个水泵WP1/WP2和一个冷水机组CU。
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