CN105152145A - 一种带氧气回收系统的制氮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带氧气回收系统的制氮装置，包括第一吸附塔、第二吸附塔和成品罐，第一吸附塔和第二吸附塔的顶部间及底部间均通过输气管道相连，且各管道上均设有阀门，第一吸附塔和第二吸附塔的顶部输气管道与成品罐连通，第一吸附塔中部与第二吸附塔中部间连有中位管道，第一吸附塔和第二吸附塔间的底部输气管道与中位管道连通，中位管道上也设有阀门，第一吸附塔和第二吸附塔间的底部输气管道上连有氧气回收装置。基于本制氮装置的结构设置，可执行不等时阶梯式均压流程，工作时可提高制氮纯度和效率，还可对制氮过程中分离出的高氧气体进行回收，减少有益资源的浪费。

Description

一种带氧气回收系统的制氮装置

技术领域

本发明涉及一种气体制备设备，更具体地说，它涉及一种带氧气回收系统的制氮装置。

背景技术

变压吸附制氮装置,简称PSA制氮装置，是一种先进的气体分离装置，在常温制气方面具有不可替代的地位。采用PSA制氮装置进行制氮是一项在常温下从空气中直接制取氮气的高新节能的分离技术，其利用压缩空气进入吸附塔后经除油、除水、除尘等一系列净化后在变压吸附作用下分离产生氮，由于动力学效应，氧在吸附塔内碳分子筛上的扩散速率明显高于氮，在吸附未达到平衡时，氮在气相中被富集起来，采用自动控制技术，可实现氮气的连续生产。现有的PSA制氮装置多采用如图1所示的“八阀流程”的生产工艺，制氮效率及品质相对较低，而且只能单纯产出氮气，而分离出来含氧量较高的气体则通过消声器吸声之后被当作废气排到大气中，未能进行任何收集利用而白白浪费。公开号为CN203781845U的实用新型于2014年8月20日公开了一种锦纶6切片生产用的制氮机氧气回收利用装置，包括制氮机和锅炉，制氮机的排气口通过进气管连接有一只氧气贮罐，在所述进气管上设有三通阀，三通阀上还连接有排气管，所述进气管上位于三通阀后方的位置设有单向阀，所述单向阀上并联有旁通管，所述旁通管上先后设有第二单向阀和增压输送装置；所述氧气贮罐通过出气管连接风机，在出气管上设有阀门；所述风机通过送气管连接有缓冲罐，所述缓冲罐通过吹风管连接所述锅炉的进气口，所述吹风管上设有第二风机。从制氮机排出的高氧废气可通过增压输送装置增压使氧气贮罐具有较高的压力，这个压力可以和风机一起作用有效地输送高氧废气。但该实用新型应用于锦纶6切片生产用的制氮机上，其结构与PS吸附制氮装置有所不同，因此该实用新型的适用性有限。

发明内容

现有的PSA吸附制氮装置制氮的效率及品质相对较低，而且对于分离出来含氧量较高的气体缺少专门的处理，导致有益资源利用不足，为克服这些缺陷，本发明提供了一种既可提高制氮的效率及品质，又能对分离出的高氧气体进行回收的带氧气回收系统制氮装置。

本发明的技术方案是：一种带氧气回收系统的制氮装置，包括第一吸附塔、第二吸附塔和成品罐，第一吸附塔和第二吸附塔的顶部间及底部间均通过输气管道相连，且各管道上均设有阀门，第一吸附塔和第二吸附塔的顶部输气管道与成品罐连通，第一吸附塔中部与第二吸附塔中部间连有中位管道，第一吸附塔和第二吸附塔间的底部输气管道与中位管道连通，中位管道上也设有阀门，第一吸附塔和第二吸附塔间的底部输气管道上连有氧气回收装置。第一吸附塔和第二吸附塔都可以通过内部的碳分子筛吸附输入压缩空气中的氧气，分离出氮气，在其中一个吸附塔分离氮气时，另一个吸附塔则进行再生，即通过内外压差逼出被碳分子筛吸附的氧气并排出，第一吸附塔和第二吸附塔循环交替地进行氮气输出和再生。传统的八阀流程均压工艺是使两个吸附塔上下同时均压，即均压时各吸附塔顶部、底部阀门同时打开，实现第一吸附塔、第二吸附塔压力平衡，当第一吸附塔吸附结束时，第一吸附塔内氮气纯度分布上高下低即为倒三角形分布，第一吸附塔、第二吸附塔开始上下均压，均压结束后，第二吸附塔内氮气纯度分布和第一吸附塔基本相同，第一吸附塔、第二吸附塔内氮气基本都呈现上高下低状分布，两塔底部氮气含量几乎与在普通空气中含量相同。而本装置工作时所采用的均压流程工艺不同于传统的八阀流程工艺，当第一吸附塔吸附接近饱和后开始均压时先将第一吸附塔吸中上部纯度较高的氮气引入再生脱附结束的第二吸附塔下部，按照第一吸附塔内氮气纯度的倒三角形分布特点进行均压，再利用成品罐内的纯氮回流冲冼第二吸附塔，均压结束时，第二吸附塔内的氮气纯度从上到下都分布较高，通过再次吸附后出口氮气纯度会更高。该工艺比传统的等时上下均压工艺更节能更先进，制取的氮气纯度更高，同时降低了第二吸附塔内碳分子筛对氧气的预吸附，提高了碳分子筛的利用率及碳分子筛的产氮率，而且可节省空气耗用量。由于基于本装置的这种不等时阶梯式均压流程可使得制氮纯度和效率同时得到提高，因此比等时均压流程更加合理、科学。

作为优选，中位管道上的阀门包括第七通断阀和第八通断阀，第七通断阀和第八通断阀间设有一连接支管，连接支管的另一端连在第一吸附塔和第二吸附塔间的底部输气管道上。设置第七通断阀和第八通断阀可以在既有的管路上灵活切换，根据本装置的工艺需要建成第一吸附塔和第二吸附塔间的气体输送路径，也可以方便地实现第一吸附塔和第二吸附塔间的功能互换。

作为优选，氧气回收装置包括从外到内依次套装且同轴的外套管、中间套管和内套管，外套管的顶端设置有出气接管，出气接管的端口焊接有法兰，外套管、中间套管和内套管的顶部端口均分别焊接有顶部封盖，外套管、中间套管的底部端口设置在同一底部封盖上并与底部封盖焊接，外套管的顶部封盖中央开有排气孔，出气接管与排气孔配合并与外套管的顶部封盖焊接，底部封盖的中央开有进气孔，进气孔小于排气孔，进气孔与内套管配合，内套管的进气端凸出于底部封盖外并与底部封盖焊接，内套管的进气端端口也焊接有法兰，内套管进气端的外周面、顶面分别与中间套管进气端的内周面、顶面间留有空隙，中间套管进气端的外周面、顶面也分别与外套管进气端的内周面、顶面间留有空隙，中间套管的周面上开有多个沿周向均布的小孔，位于中间套管以内部分的内套管周面上也开有多个沿周向均布的小孔。现有的制氮机组上通常没有设置氧气回收装置，分离出的高氧气体通常直接排出，制氮机组内的气体压力较高，排出噪音很大，为此一般在制氮机组排出口设置了消音装置，消音装置中设有一定厚度的吸音棉，声波在多孔性吸音材料中传播时，受摩擦和粘滞阻力，声能转化为热能而耗散掉，余下的少量高氧气体直接排到大气中，虽然消除了噪音，但含氧量较高的气体却被浪费。本氧气回收装置工作时，压缩空气通过进气管流入内套管，经过内套管壁面上的小孔减压降噪后进入内层减压腔膨胀，再穿过中间套管壁面上的小孔进入外层减压腔再次减压膨胀，衰减后的压缩空气通过排气口从出气接管排出到专门的收集容器中，完成了压缩空气的消音降噪排空过程，由于内部没有吸音棉，气流是畅通的，不存在声能转化为热能而耗散掉问题，这样既消除了排气噪音，又没有浪费分离出的氧气。

作为优选，第一吸附塔和第二吸附塔的底部均设有气体扩散结构，该气体扩散结构包括气体分流装置、螺旋片旋风扩散装置和多个瓷球构成的瓷球分流层，气体分流装置设于第一吸附塔和第二吸附塔底部的进气口处，螺旋片旋风扩散装置位于气体分流装置上方，瓷球分流层设于螺旋片旋风扩散装置上方的第一吸附塔内腔底部。压缩空气经过气体分流装置进入第一吸附塔和第二吸附塔内，通过螺旋片旋风扩散装置的分割，均流分散继续深入第一吸附塔和第二吸附塔内部。在与惰性瓷球接触后，压缩空气在瓷球间隙中沿不规则路径逐步得到彻底分流，所有压缩气体得到充分利用，不会产生空气死角。第一吸附塔下部设有特殊的气流扩散分布装置，使气体在扩散时呈“S”螺旋形流动，和碳分子筛接触时呈“W”型流动，这不仅大大降低了气体对碳分子筛的冲击力，也使气体在吸附过程中更加均匀，并有效防止吸附“死角”和产生隧道效应，有利于提高氮气纯度和保证碳分子筛的使用寿命。

作为优选，所述瓷球分流层上方设有由干燥剂构成的干燥层，干燥层与瓷球分流层间设有弧形孔网板，干燥层上方设有分隔垫。在瓷球与碳分子筛之间加入干燥剂可吸附压缩空气中微量水分，对进入碳分子筛的空气进行更进一步的干燥，从而更好的保护碳分子筛，同时干燥剂也可继续发挥着气体扩散分流的作用。分隔垫可以避免长时间工作后干燥剂与碳分子筛混合在一起。

作为优选，第一吸附塔和第二吸附塔的顶部均固设有气缸式压紧装置，该气缸式压紧装置包括压紧气缸和自动填料缸，压紧气缸固设于第一吸附塔和第二吸附塔外顶部，自动填料缸固设于压紧气缸下方的第一吸附塔内顶部，自动填料缸内设有活塞，压紧气缸的活塞杆与活塞相连。本压紧装置采用了气缸式自动压紧技术，具有碳分子筛自动补偿功能，控制台对第一吸附塔内的碳分子筛松紧度可监测性也更强。本压紧装置以进入第一吸附塔前的空气压力作为自身的工作压力，并且从制氮机开始工作时就进入工作状态，在工作状态下，其工作压力和塔内压力基本保持平衡，活塞不受交变力的影响，在保证压紧的同时，不会压破碳分子筛。其压紧力也不随行程的改变而改变，始终保持平衡，与其它类型的压紧装置如椰垫压紧、弹簧压紧、气囊压紧等相比较，可靠性和可监测性更强。

作为优选，活塞底面设有柔性分隔垫。柔性分隔垫可使活塞与碳分子筛间形成缓冲，避免碳分子筛因受到较强大压力而粉碎。

作为优选，压紧气缸和自动填料缸间设有安装板，安装板固设于第一吸附塔及第二吸附塔顶部，压紧气缸和自动填料缸分别固设于安装板两侧。通过该结构可较容易地实现压紧气缸和自动填料缸在第一吸附塔及第二吸附塔上的固定。

作为优选，压紧气缸上设有碳位监测器。压紧装置上设置碳位监测器，可监测第一吸附塔内碳分子筛位置高度，当压紧气缸的活塞杆行程超过设定值时，碳位监测器可输出相应信号，引起报警，便于及时处置可能引发问题的隐患。

本发明的有益效果是：

提高制氮的效率及品质。基于本制氮装置的结构设置，可执行不等时阶梯式均压流程，工作时可提高制氮纯度和效率。

回收分离出的高氧气体，提高原料综合利用率。本制氮装置具有氧气回收系统，可对制氮过程中分离出的高氧气体进行回收，减少有益资源的浪费。

附图说明

图1为现有的一种执行“八阀流程”工艺制氮装置的布局示意图；

图2为本发明的一种布局示意图；

图3为本发明中气体扩散结构的一种结构示意图；

图4为本发明气体扩散结构中螺旋片旋风扩散装置的一种俯视示意图；

图5为本发明中气缸式压紧装置的一种结构示意图；

图6为本发明中氧气回收装置的一种结构示意图；

图7为本发明中氧气回收系统的一种结构示意图。

图中，1-第一吸附塔，2-第二吸附塔，3-成品罐，4-中位管道，5-第七通断阀，6-第八通断阀，7-连接支管，8-气体分流装置，9-螺旋片旋风扩散装置，10-瓷球，11-干燥剂，12-分隔垫，13-弧形孔网板，14-压紧气缸，15-自动填料缸，16-活塞，17-安装板，18-柔性分隔垫，19-碳位监测器，20-氧气回收装置，21-外套管，22-中间套管，23-内套管，24-出气接管，25-底部封盖，26-顶部输气管道，27-底部输气管道，28-第九通断阀，29-第十通断阀，30-氮气输出总管，31-第十一通断阀，32-第五通断阀，33-第六通断阀，34-第三通断阀，35-第四通断阀，36-第一通断阀，37-第二通断阀，38-总输入管，39-压缩空气进口，40-筒状喉口，41-氧气收集罐。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

如图2至图7所示，一种带氧气回收系统的制氮装置，包括第一吸附塔1、第二吸附塔2和成品罐3，第一吸附塔1和第二吸附塔2中均用碳分子筛充实，第一吸附塔1和第二吸附塔2的顶部间及底部间分别通过顶部输气管道26和底部输气管道27相连，顶部输气管道26上设有第九通断阀28和第十通断阀29，第九通断阀28和第十通断阀29之间的顶部输气管道26上连有一氮气输出总管30，氮气输出总管30上设有第十一通断阀31，氮气输出总管30末端连在成品罐3上，第九通断阀28控制第一吸附塔1的氮气输出，第十通断阀29控制第二吸附塔2的氮气输出。底部输气管道27包括三根并联管道，其中上方并联管道上设有第五通断阀32和第六通断阀33，中间并联管道上设有第三通断阀34和第四通断阀35，下方联管道上设有第一通断阀36和第二通断阀37。第三通断阀34和第四通断阀35之间的中间并联管道上接有一总输入管38，总输入管38的另一端即为压缩空气进口39。在下方联管道上，第一通断阀36和第二通断阀37之间接有一氧气回收装置20。第一通断阀36、第三通断阀34和第六通断阀33用于控制第一吸附塔1的气体进出，第二通断阀37、第四通断阀35和第五通断阀32用于控制第二吸附塔2的气体进出。第一吸附塔1中部与第二吸附塔2中部间连有中位管道4，中位管道4上第七通断阀5和第八通断阀6两个阀门，第七通断阀5和第八通断阀6间设有一连接支管7，连接支管7的另一端连在第五通断阀32和第六通断阀33之间的上方并联管道上，这样底部输气管道27与中位管道4形成连通。氧气回收装置20包括从外到内依次套装且同轴的外套管21、中间套管22和内套管23，外套管21的顶端设置有出气接管24，出气接管24的端口焊接有法兰，外套管21、中间套管22和内套管23的顶部端口均分别焊接有顶部封盖，外套管21、中间套管22的底部端口设置在同一底部封盖25上并与底部封盖25焊接，外套管21的顶部封盖中央开有排气孔，出气接管24与排气孔配合并与外套管21的顶部封盖焊接，出气接管24通过管道与一氧气收集罐41连通底部封盖25的中央开有进气孔，进气孔小于排气孔，进气孔与内套管23配合，内套管23的进气端凸出于底部封盖25外并与底部封盖25焊接，内套管23的进气端端口也焊接有法兰，内套管内套管23进气端的外周面、顶面分别与中间套管22进气端的内周面、顶面间留有空隙，从而形成内层减压腔，中间套管22进气端的外周面、顶面也分别与外套管21进气端的内周面、顶面间留有空隙，从而形成外层减压腔，中间套管22的周面上开有多个沿周向均布的小孔，且中间套管22周面包绕有丝网，位于中间套管22以内部分的内套管23周面上也开有多个沿周向均布的小孔。氧气回收装置20、氧气收集罐41以及二者间的连接管道构成氧气回收系统。第一吸附塔1和第二吸附塔2的底部均设有气体扩散结构，该气体扩散结构包括气体分流装置8、螺旋片旋风扩散装置9和多个瓷球10构成的瓷球分流层，气体分流装置8由多层金属丝网构成，气体分流装置8包绕在通入第一吸附塔1和第二吸附塔2的底部输气管道27外周上，底部输气管道27进入第一吸附塔1和第二吸附塔2的部分在外周上密布气孔，螺旋片旋风扩散装置9位于气体分流装置8上方，瓷球分流层设于螺旋片旋风扩散装置9上方的第一吸附塔内腔底部。所述瓷球分流层上方设有由干燥剂11构成的干燥层，此处的干燥剂11为氧化铝，干燥层与瓷球分流层间设有弧形孔网板13作为层间分隔物，干燥层上方设有椰垫制成的分隔垫12。第一吸附塔1和第二吸附塔2的顶部均设有一筒状喉口40，筒状喉口40外设有气缸式压紧装置，该气缸式压紧装置包括压紧气缸14和自动填料缸15，压紧气缸14固设于第一吸附塔外顶部，自动填料缸15固设于压紧气缸14下方的第一吸附塔内顶部，压紧气缸14和自动填料缸15间设有安装板17，安装板17焊接固定在筒状喉口40顶端，封盖住筒状喉口40，压紧气缸14和自动填料缸15分别固设于安装板17两侧。自动填料缸15内设有活塞16，压紧气缸14的活塞杆与活塞16相连。活塞16底面贴覆有椰垫制成的柔性分隔垫18。压紧气缸14缸体上设有碳位监测器19，碳位监测器19为接近开关，用于检测压紧气缸14活塞杆上的磁簧，碳位监测器19接入监控系统，当压紧气缸14活塞杆的行程超过设定的行程时，碳位监测器19向监控系统发出信号，监控系统进行信号处理后在控制器面板上光电报警，碳位监测器19有两个并按一高度差设置，这样就形成两点式报警，可发出预警和最终报警。此监控系统可实现本装置的时序控制和连续运行，可在线监控并远传氮气纯度、流量、压力、故障信息等数据，并可在线修改设备运行参数，设备可通过远程或就地控制设备的开关机，可以通过用户配套的通讯协议MODBUS，R485接口远程输送数据并远程监测控制设备运行，还能够和用户DCS系统建立通讯。

本装置工作时，压缩空气自压缩空气进口39进入，一开始仅第三通断阀34、28导通，压缩空气经由第三通断阀34进入第一吸附塔1，第一吸附塔1中通过碳分子筛吸附氧气进行氮、氧分离，分离完成时第一吸附塔1内形成呈倒三角状的氮气纯度分布，自上而下四个监测点的氮气纯度分别为99.95%、99.9%、98%和79%，第一吸附塔1吸附接近饱和时,第七通断阀5和第六通断阀33导通，使第一吸附塔1中部与第二吸附塔2连通，第一吸附塔1中上部纯度较高的氮气引入第二吸附塔2底部，再导通第十通断阀29和第十一通断阀31，利用成品罐3内的纯氮回流冲冼第二吸附塔2，均压结束时，第二吸附塔2内的氮气纯度从上到下都分布较高，与第一吸附塔1四个监测点同等位置的氮气纯度分别为99.999%、99.95%、99.5%和99%。第一吸附塔1内达到吸附饱和时，第九通断阀28导通，第十通断阀29关闭，第一吸附塔1向成品罐3输送成品氮气。在第一吸附塔1因氮气排出，第二吸附塔2因氧气排出而内压降低后，导通第四通断阀35而关闭其它阀门，第一吸附塔1、第二吸附塔2任务互换，压缩空气进入第二吸附塔2进行氮、氧分离，而第一吸附塔1进行脱氧再生，如此交替循环，持续输出氮气，并通过氧气回收装置20回收氧气。

Claims (9)

1.一种带氧气回收系统的制氮装置，包括第一吸附塔（1）、第二吸附塔（2）和成品罐（3），第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）的顶部间及底部间均通过输气管道相连，且各管道上均设有阀门，第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）的顶部输气管道与成品罐（3）连通，其特征是第一吸附塔（1）中部与第二吸附塔（2）中部间连有中位管道（4），第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）间的底部输气管道与中位管道（4）连通，中位管道（4）上也设有阀门，第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）间的底部输气管道上连有氧气回收装置（20）。

2.根据权利要求1所述的制氮装置，其特征是中位管道（4）上的阀门包括第七通断阀（5）和第八通断阀（6），第七通断阀（5）和第八通断阀（6）间设有一连接支管（7），连接支管（7）的另一端连在第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）间的底部输气管道上。

3.根据权利要求1所述的制氮装置，其特征是氧气回收装置（20）包括从外到内依次套装且同轴的外套管（21）、中间套管（22）和内套管（23），外套管（21）的顶端设置有出气接管（24），出气接管（24）的端口焊接有法兰，外套管（21）、中间套管（22）和内套管（23）的顶部端口均分别焊接有顶部封盖，外套管（21）、中间套管（22）的底部端口设置在同一底部封盖（25）上并与底部封盖（25）焊接，外套管（21）的顶部封盖中央开有排气孔，出气接管（24）与排气孔配合并与外套管（21）的顶部封盖焊接，底部封盖（25）的中央开有进气孔，进气孔小于排气孔，进气孔与内套管（23）配合，内套管（23）的进气端凸出于底部封盖（25）外并与底部封盖（25）焊接，内套管（23）的进气端端口也焊接有法兰，内套管（23）进气端的外周面、顶面分别与中间套管（22）进气端的内周面、顶面间留有空隙，中间套管（22）进气端的外周面、顶面也分别与外套管（21）进气端的内周面、顶面间留有空隙，中间套管（22）的周面上开有多个沿周向均布的小孔，位于中间套管（22）以内部分的内套管（23）周面上也开有多个沿周向均布的小孔。

4.根据权利要求1所述的制氮装置，其特征是第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）的底部均设有气体扩散结构，该气体扩散结构包括气体分流装置（8）、螺旋片旋风扩散装置（9）和多个瓷球（10）构成的瓷球分流层，气体分流装置（8）设于第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）底部的进气口处，螺旋片旋风扩散装置（9）位于气体分流装置（8）上方，瓷球分流层设于螺旋片旋风扩散装置（9）上方的第一吸附塔内腔底部。

5.根据权利要求4所述的制氮装置，其特征是所述瓷球分流层上方设有由干燥剂（11）构成的干燥层，干燥层与瓷球分流层间设有弧形孔网板（13），干燥层上方设有分隔垫（12）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制氮装置，其特征是第一吸附塔（1）和第二吸附塔（2）的顶部均固设有气缸式压紧装置，该气缸式压紧装置包括压紧气缸（14）和自动填料缸（15），压紧气缸（14）固设于第一吸附塔和第二吸附塔外顶部，自动填料缸（15）固设于压紧气缸（14）下方的第一吸附塔和第二吸附塔内顶部，自动填料缸（15）内设有活塞（16），压紧气缸（14）的活塞杆与活塞（16）相连。

7.根据权利要求6所述的制氮装置，其特征是活塞（16）底面设有柔性分隔垫（18）。

8.根据权利要求6所述的制氮装置，其特征是压紧气缸（14）和自动填料缸（15）间设有安装板（17），安装板（17）固设于第一吸附塔及第二吸附塔顶部，压紧气缸（14）和自动填料缸（15）分别固设于安装板（17）两侧。

9.根据权利要求6所述的制氮装置，其特征是压紧气缸（14）上设有碳位监测器（19）。