CN104949471A - 一种提高空分装置氮气产量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高空分装置氮气产量的方法，该方法包括：根据所需求的产品氮气增加量计算出将一定量的污氮气精馏成纯氮气所需要的精馏填料或塔板数，根据计算结果相应增加空分装置上塔的精馏填料或塔板数，通过对上塔污氮气进一步精馏提纯，将这部分污氮气提纯为纯氮气，得到增加的纯氮气产品量，该方法还包括将空分装置纯氮气和污氮气通道内介质进行互换，以及核算出由于污氮量减少导致水冷却塔和分子筛纯化器损失的冷量，通过增设冷冻机和液氮蒸发器来补偿这部分冷损；此外，产品氮气的产量可根据需求在产品氧气和氮气比例为1:1到1:3范围内变动；该方法以较低的改造成本改变原空分装置氧氮设计比例，最大限度地获取纯氮产品产量。

Description

一种提高空分装置氮气产量的方法
技术领域
本发明属于低温法空气分离制氧领域。
背景技术
现代低温法空气分离制氧技术（简称空分技术或制氧技术）所采用的空气分离装置（简称空分装置或制氧机），其常规设计分离产品氧气和产品氮气的产量比例为1:1～1:1.1，空气中其余的氮组分以污氮气的形式输出，主要用作空分流程中分子筛再生气、水冷却塔冷却气。按国标氮气纯度标准分为工业用氮气、纯氮和高纯氮三级，它们的纯度分别为99．5％，99．99％和99．999％，上述的产品氮气在本领域内通常指纯度≥99．5％的氮气，污氮气通常指纯度≥96%的非纯氮气。在本发明中产品氮气相对于污氮气可以称之为纯氮气或氮气，污氮气可以简称为污氮。
当前，氮气作为洁净、干燥、不活跃气体，使用范围越来越广泛，在不增设新的空分装置的前提下，现有空分技术中产品氧氮产量的固有设计比例已经无法满足不断增长地氮气的需求量，如何对现有空分装置进行技术调整改造，在机组性能允许范围内提高产品氮气的产量达到需求量，是现存的技术问题。
对空分装置的投资是十分巨大的，仅仅为了获得更多的氮气产品而增加空分装置无疑是一种浪费，为此，通过对原有空分装置进行改进，充分利用现有空分设备，只需要相对整体装置很少的投资，就能提高原有机组工艺许可范围内的氮气产量，解决对产品氮气的需求问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高空分装置氮气产量的方法，该方法能有效地提高空分装置的产品氮气产量，使氮气产量比例超出空分装置氧氮产品产量的原有设计比例，在工艺许可范围内满足对产品氮气的需求量。
为解决上述技术问题，本发明一种提高空分装置氮气产量的方法包括对空分装置上塔内的部分污氮气进一步提纯为纯氮气，再将这部分增加的纯氮气与原产品氮气共同输出；根据所述增加的纯氮气量计算出将一定量的污氮气精馏成纯氮气所需要的精馏填料或塔板数，再根据计算结果相应增加空分装置上塔内的精馏填料或塔板数，通过对所述上塔内的部分污氮气进一步精馏提纯，将这部分污氮气提纯为纯氮气，从而得到所述增加的纯氮气量。
在上述方案中，由于空气中氧氮组份的含量是固定的，因此在空分装置中增加纯氮气产量必然会减少污氮气量，依据物料平衡与能量平衡原理，对所述的一定量的污氮气提纯为纯氮气进行精馏计算，计算出将所述部分污氮气提纯为纯氮气需要增加的精馏填料或塔板数，再根据计算结果对所述空分装置的上塔进行改造，在原上塔基础上增加上述的填料或塔板数，对上塔内的所述部分污氮气进一步精馏、提高其纯度，达到纯氮气的标准。
作为上述技术方案的进一步实施方案，本发明将所述空分装置上塔的纯氮气和污氮气出口总管内的介质互换，同时将主换热器纯氮气和污氮气出口管路内的介质互换，以及主换热器内纯氮气和污氮气通道内的介质互换，原纯氮气管路或通道用于污氮气，原污氮气管路或通道用于纯氮气。
在上述进一步实施方案中，由于原有空分装置常规设计氧氮比例为1:1或1:1.1，而空气中氧氮组份比例约为1：4，即原有设计纯氮气与污氮气的比例约为1：3，从所述空分装置上塔引出的纯氮气与污氮气通入主换热器的管道，以及纯氮气和污氮气通过主换热器内的通道并从主换热器输出的总管流量也是基于这个比例设计的；当从所述空分装置上塔引出进入主换热器的纯氮气量增加等于或超过污氮气量时，为了充分利用原有空分装置设施，将原有空分装置上述纯氮气与污氮气管道内的介质进行互换，即能解决纯氮气量增加和污氮气量减少后的通道流量问题。此外，因氮气和污氮气出口总管内介质互换，相应地还需对整个空分装置其它相关氮气和污氮管路进行改造，因所述其它管路涉及的氮气和污氮量相对氮气和污氮总量较少，且涉及的工艺流程比较复杂，因此在本发明中仅对影响产品氮气产量的主要工艺流程和改造进行详细阐述。
作为上述技术方案的更进一步实施方案，本发明还需根据污氮气量与水冷却塔内冷却水之间的温差关系核算出所减少污氮气量损失的冷量，通过增加大温差冷水机组来弥补这部分损失的冷量。
因为污氮气提纯为纯氮气后将减少污氮气输出量，导致用于冷却塔冷却水的污氮气量减少，即用于冷却水的冷量减少，从而导致空分装置内冷量失衡。为此，需要根据污氮气量与出水冷塔冷却水的温差关系核算出减少污氮气量损失的冷量，通过增加大温差冷水机组弥补这部分冷量，确保整个空分装置内的冷量平衡。
作为上述更进一步实施方案的备选方案，本发明还可以在产品氮气富裕或冷冻机检修的情况下，将冷冻机停机，停止新增产品氮气对外输送，旁通送入水冷塔作为冷源，保证空分装置的连续稳定运行。
同时作为上述技术方案的更进一步实施方案，本发明还需根据分子筛纯化器再生冷吹阶段污氮气出纯化器的温度变化，增设一台液氮喷射蒸发器对液氮进行蒸发后与进入纯化器的污氮气混合，消除因进入纯化器污氮量的减少而对纯化器再生效果造成的影响，同时补充因污氮量减少损失的冷量，从而维持所述空分装置内的冷量平衡。
由于纯化器的工作原理是利用分子筛吸附作用净除加工空气中的水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物，污氮作为再生气用来恢复分子筛的吸附功能，当污氮量减少时，会导致纯化器再生不充分，吸附功能逐渐减弱，造成加工空气中上述杂质含量的升高，影响空分装置的安全；同时污氮量的减少也导致进入纯化器冷量的减少，造成出纯化器加工空气温度升高，影响空分装置内的冷量平衡。为此，在通向纯化器的污氮管道上引入一条液氮管线，并增加一台液氮喷射蒸发器对液氮进行蒸发后与进入分子筛的污氮气混合，用来补充污氮量并降低污氮气的温度，不仅促进分子筛再生功能的恢复，同时也降低了加工空气的纯化器出口温度，使所述空分装置内冷量保持平衡。
同时作为上述更进一步实施方案的备选方案，还可以在产品氮气富裕的情况下，将富裕的产品氮气引入通向分子筛纯化器的污氮气管道中，与污氮气混合补充减少的污氮量及冷量，从而减少液氮的使用量。因生产需求，时常会对富裕的产品氮气做放散处理，而液氮便于储槽储存，因此在产品氮气过剩的情况下充分加以利用，减少液氮的使用量，同样能达到上述效果。
针对本发明一种提高空分装置氮气产量的方法，产品氮气的产量可根据实际需求在产品氧气和产品氮气比例为1:1到1:3范围内变动。
本发明改变了所述空分装置原设计产品氧氮1:1～1:1.1的比例，实际生产中可以按照用户的需求，在1:1～1:3之间调节产品氧气氮气比例，在氧气需求满足的情况下，增强了氮气匹配的适宜性。需要说明的是，这里所述的产品氧氮比例是基于原空分装置产品氧氮的设计值。
本发明通过将部分污氮气提纯为纯氮气达到有效地提高纯氮气产量的目的，同时仍保持空分装置原有其它产品的产量和纯度，及保证装置的安全稳定运行，且实施成本较低，经济效益显著。
附图说明
图1是实施例空分装置现有技术产品氮气和污氮工艺流程示意图；
图２是实施例空分装置实施本发明技术方案后产品氮气和污氮工艺流程示意图。
10、精馏塔上塔 11、主换热器 12、水冷却塔（简称水冷塔）13、分子筛纯化器（简称纯化器） 14、放散塔 15、水泵 16、冷凝蒸发器（简称主冷） 17、液氮储槽 18、辅塔 20、上塔氮气出口总管 21、上塔污氮出口总管 22、主换热器污氮出口通水冷塔管路 23、主换热器污氮出口通纯化器管路24、主冷液氮出口管路 25、主换热器氮气出口总管 30、改造后上塔污氮出口总管 31、改造后上塔氮气出口总管 32、新增辅塔 33、改造后主换热器氮气出口支管 34、改造后污氮通纯化器支管 35、新增液氮喷射器输入管路 36、液氮喷射蒸发器 37、冷冻机 38、改造后主换热器污氮出口总管 39、改造后主换热器氮气出口总管 40、氮气总管旁通管路。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的具体实施方式对本发明一种提高空分装置氮气产量的方法作以下说明。在本实施例中仅对涉及到本发明的工艺流程及设备作如下说明。
图1是实施例空分装置三万制氧机现有技术产品氮气和污氮工艺流程示意图。
本实施例三万制氧机现有的常规设计方案为：产品氧气、氮气产量各为35000 m3/h，其中产品氮气杂质含量小于10ppm，污氮气纯度≥96%并小于纯氮气的纯度，产出的污氮气约60000m3/h进入水冷塔作为冷却剂，40000m3/h进分子筛纯化器作为再生气。本发明实施例三万制氧机现有氮气和污氮工艺流程包括：经过精馏塔上塔10和辅塔18精馏得到的纯氮气通过上塔氮气出口总管20从辅塔18顶部引出，并输送到主换热器11中与加工空气进行换热，换热后作为产品氮气从主换热器氮气出口总管25输出。污氮从上塔10上部侧面引出通过上塔污氮出口总管21输送到主换热器11中与加工空气进行换热，换热后一部分污氮通过主换热器污氮出口通水冷塔管路22输送到水冷塔12用来冷却水，另一部分污氮通过主换热器污氮出口通纯化器管路23输送到分子筛纯化器13作为分子筛再生气使用；从冷凝蒸发器16上部引出部分液氮作为液氮产品，通过主冷液氮出口管路24输送到液氮储槽17中。此外，根据实际需求将多余的产品氮气通过放散塔14放散到大气中。
实际生产中随着对产品氮气需求量的不断增大，三万制氧机常规设计产品氮气产量35000 m3/h已经远远不能满足生产需求，在不增加新制氧机的前期下，本发明提供了一种提高空分装置纯氮气产量的方法，用来解决上述问题。下面结合图2阐述本发明的具体实施方式。
图2是实施例空分装置三万制氧机实施本发明技术方案后产品氮气和污氮气工艺流程示意图。
本发明实施例提供了一种提高空分装置纯氮气产量的方法，包括对三万制氧机精馏塔上塔10内的部分污氮气进一步提纯为纯氮气，再将这部分增加的纯氮气与原产品纯氮气共同输出；为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是依据物料平衡与能量平衡原理，根据所述增加的纯氮气量计算出将一定量的污氮气精馏成纯氮气所需要的精馏填料或塔板数，再根据计算结果相应增加空分装置上塔的精馏填料或塔板数，通过对所述上塔10内的部分污氮气进一步精馏提纯，将这部分污氮气提纯为纯氮气，从而得到所述增加的纯氮气量。
本方案具体实施方式为：将现有三万制氧机精馏塔辅塔18拆除，对现有上塔10进行增高改造，依据物料平衡与能量平衡原理，计算得出将40000m3/h污氮气提纯为杂质含量小于10ppm的纯氮气需增加填料高度5500mm；原上塔10高度37610mm，切除顶部辅塔11的长度为5530mm，切除后保留原塔体高度32080mm，改造后新增辅塔32的高度为9430mm，以保证增加填料高度5500mm。利用增加的5500mm填料对上塔部分污氮气进一步精馏提纯，得到约40000m3/h氮气产品的增加量。
作为上述技术方案的进一步实施方案，本发明实施例在对三万制氧机上塔10进行增高改造后，将上塔纯氮气出口总管20和上塔污氮气出口总管21内的介质互换，同时将主换热器顶抽纯氮气出口总管25和主换热器顶抽污氮气出口管路22以及侧抽污氮气出口管路23管路内的介质互换，原纯氮气总管及管路用于污氮气，原污氮气总管及管路用于纯氮气。
本方案具体实施方式为：将原有上塔纯氮气出口总管20在合适标高处从上塔断开后，连接改造后的上塔10上部侧抽污氮气出口，做为改造后上塔污氮气出口总管30；将原有上塔污氮气出口总管21从上塔10断开，加长后与新增辅塔32顶抽出口连接，做为改造后上塔纯氮气出口总管31；主换热器顶抽污氮气出口管路22原用于输送污氮气到水冷塔12，改造后将其断开，同时还将主换热器顶抽纯氮气出口总管25在主换热器纯氮气出口处断开，将断开后的原主换热器顶抽污氮气出口管路22出口部分接至原主换热器顶抽纯氮气出口总管25断开后输出产品氮气管路部分，做为改造后主换热器顶抽纯氮气出口总管39；同时，将原有主换热器顶抽纯氮气出口总管25在主换热器纯氮气出口断开处与原主换热器顶抽污氮气出口管路22断开后接至水冷塔12的部分管路连接，做为改造后主换热器顶抽污氮气出口总管38，同时将输送污氮气到分子筛纯化器13的原主换热器侧抽污氮气出口管路23断开，断开后侧抽污氮气出口端管路做为改造后主换热器侧抽纯氮气管路33并入改造后主换热器顶抽纯氮气出口总管39，断开后接至分子筛纯化器13的部分管路并入改造后主换热器顶抽污氮气出口总管38，做为主换热器顶抽污氮气出口总管38的一个支管，即改造后分子筛污氮气入口管路34。此外，因氮气和污氮气出口总管介质互换，相应地还需对其它相关氮气和污氮管道进行改造，例如需将冷箱内粗氩液化器氮气出口管和精氩冷凝器氮气出口管的汇集管从污氮气出口管断开，再将来自氩系统的汇集管接至原氮气管线。另外，还需对冷箱内部分管道进行重新设计验算，按照新的路线进行布置，增设部分管道支架，以增加冷箱冷缩后的补偿减少变形量，增强冷箱密封量。因上述其它氮气和污氮管道中氮气和污氮量相对氮气和污氮气的总量较少，冷箱内管道的工艺流程相对繁杂，在本发明实施例附图中没有体现出来，作为对本发明的补充说明。
作为上述方案的更进一步实施方案，本发明实施例三万制氧机因部分污氮气提纯为纯氮气后减少污氮气输出量，导致用于冷却塔12冷却水的污氮气量减少，即用于冷却水的冷量减少，从而导致空分装置内冷量失衡。为此，根据污氮气量与水冷塔冷却水的温差关系核算出减少污氮气量所损失的冷量，通过增设大温差冷冻机37来弥补这部分冷量，在现有水泵15不改动的情况下维持空分装置正常运行，确保水冷塔12及整个三万空分装置内的冷量平衡。水冷塔12原进水温度33℃，出水温度17℃，减少污氮气量35000m3/h时，出水温度上升10.84℃，考虑到冷量交换损失，按照温差12℃、冷量大于102Kcal/h选取冷冻机37，并将冷冻机37设置于水泵后，降低送入水冷塔12冷却水的温度至原有设计值。
作为上述方案的备选方案，从改造后主换热器氮气出口总管39上引出一路氮气总管旁通管路40，与改造后主换热器污氮出口总管38连通，在产品氮气富裕或冷冻机检修的情况下，将冷冻机37停机，停止新增产品氮气对外输送，将新增的产品氮气送入水冷塔12作为冷源，弥补因污氮减少损失的冷量，保证空分装置的连续稳定运行，同时减少冷冻机的使用时长，达到降低能耗的目的。
作为上述技术方案的更进一步实施方案，本发明实施例三万制氧机同时还因为部分污氮气提纯为纯氮气后减少污氮的输出量，导致输入纯化器13作为再生气的污氮量减少，为了补偿污氮量及缺失的冷量，在改造后污氮通纯化器支管34上增设一台液氮喷射蒸发器36，并同时从主冷16引出一条新增液氮喷射器输入管路35，从主冷16引入部分液氮，经液氮喷射蒸发器36对液氮进行蒸发气化后与改造后污氮通纯化器支管34中的污氮气混合，降低纯化器13再生冷吹阶段污氮气进入纯化器的入口温度。本方案实施后，纯化器冷吹阶段污氮出纯化器13的峰值温度从实施前的110℃升至120℃，说明纯化器再生的更彻底。因此，该技术方案不仅促进分子筛纯化器再生功能的恢复，同时也确保加工空气在纯化器出口的温度维持在正常运行值，保持了整个三万空分装置内的冷量平衡。
作为上述方案的备选方案，同样也可以从改造后主换热器氮气出口总管39上引出一路氮气总管旁通管路40与改造后污氮通纯化器支管34连接，本实施例中，氮气总管旁通管路40同时连接通水冷塔的主换热器污氮出口总管38和污氮通纯化器支管34，通过管路上的阀门控制管路连通或断开。在产品氮气富裕或液氮紧张的情况下，切断新增液氮喷射器输入管路35，连通氮气总管旁通管路40，将新增的产品氮气与污氮气混合弥补减少的污氮量，减少液氮的使用量；因为液氮的附加值较高，便于做为液氮产品出售，必要时减少液氮的使用，也是提高制氧机经济性能的方案之一。
根据本发明一种提高空分装置氮气产量的方法，产品纯氮气的产量可根据需求在产品氧气氮气比例为1:1到1:3范围内变动。
本发明改变了所述空分装置原设计中纯氧氮产品的比例，实际生产中可以按照用户的需求，通过操作调节，在1:1到1:3之间改变产品氧气氮气比例，在氧气需求满足的情况下，增强了氮气匹配的适宜性。目前，本实施例三万制氧机改造后的常规产值为：产品氧气产量35000 m3/h，氮气产量70000 m3/h；在实际生产运行中经过测试调节产品氮气最大产量可达到90000m3/h。
本发明一种提高空分装置氮气产量的方法，通过将部分污氮气进一步提纯为纯氮气达到有效提高纯氮气产量的目的，同时仍保持空分装置原有其它产品的产量和纯度，及保证装置的安全稳定运行；本发明是在全面考虑原空分装置运行状况及生产特点的基础上，充分利用原有空分装置的各项设施加以改进，不仅改造成本较低，经济效益显著，同时还提供了一种生产保障性更强、组织性更灵活的生产运行模式，在工厂生产中具有很强的实用性和可实施性。

Claims (7)

1.一种提高空分装置氮气产量的方法，该方法包括：对空分装置上塔内的部分污氮气进一步提纯为纯氮气，再将这部分增加的纯氮气与原产品氮气共同输出，其特征在于：根据所述增加的纯氮气量计算出将一定量的污氮气精馏成纯氮气所需要的精馏填料或塔板数，再根据计算结果相应增加空分装置上塔内的精馏填料或塔板，利用所述增加的精馏填料或塔板对上塔内的部分污氮气进一步精馏提纯，将这部分污氮气提纯为纯氮气，从而得到所述增加的纯氮气量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述空分装置上塔的纯氮气和污氮气出口总管内的介质互换，同时将主换热器纯氮气和污氮气出口管路内的介质互换，以及主换热器内纯氮气和污氮气通道内的介质互换，原纯氮气管路或通道用于污氮气，原污氮气管路或通道用于纯氮气。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：还需根据污氮气量与水冷却塔内冷却水之间的温差关系核算出减少污氮气量所损失的冷量，通过增设冷冻机来弥补这部分损失的冷量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：还需根据分子筛纯化器再生冷吹阶段污氮气出纯化器的温度变化，增设一台液氮喷射蒸发器对液氮进行蒸发后与进入纯化器的污氮气混合，消除因进入纯化器污氮气量的减少而对纯化器再生效果造成的影响，同时保持空分装置内冷量平衡。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：还可以在产品氮气富裕的情况下，将富裕的产品氮气引入通向水冷塔的污氮气管路中，与污氮气混合补充冷量，减少冷冻机的使用时长。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：还可以在产品氮气富裕的情况下，将富裕的产品氮气引入通向分子筛纯化器的污氮气管路中，与污氮气混合补充冷量，减少液氮的使用量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：产品氮气的产量可根据需求在产品氧气和产品氮气比例为1:1到1:3范围内变动。
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