CN106196887A - 一种高效生产高纯氮的方法及其装置与产品 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效生产高纯氮的方法，采用了一种高效生产高纯氮的装置，所述方法中：一股原料空气在高压精馏塔内分离成富氧液空和高压氮气，该富氧液空进入高压精馏塔冷凝蒸发器中蒸发成中压富氧气并被输送至中压精馏塔；之后从中压精馏塔分离出中压氮气和富氧液，该中压氮气进入中压精馏塔冷凝蒸发器冷凝成中压液氮，部分中压液氮经液氮泵增压后回流至高压精馏塔，在高压精馏塔顶部得到高纯度的高压氮气，其提取率达到60‑75%；该方法单位产品的能耗比单塔返流富氧气膨胀制冷的制氮工艺的能耗降低约20‑30%，产品安全可靠，可得到广泛应用，具有良好的市场前景。

Description

一种高效生产高纯氮的方法及其装置与产品
技术领域
本发明属于气体生产领域，涉及一种通过低温液化进行气体分离的方法，特别涉及一种高效生产高纯氮的方法，并且本发明还涉及一种高效生产高纯氮的装置，以及使用所述方法生产制得的产品。
背景技术
随着精密电子工业、生物医药、化工等行业的快速发展，对高纯氮的需求量急剧增大且要求极高，具体要求高纯氮气的压力为0.5~1.2MPa，氮气纯度99.9%-99.9999%，同时需要少量液态氮（≤5%氮气产量）以供备用。
现有技术的一种分离空气制取压力氮气的方法采用了单塔返流富氧气（废气）膨胀制氮，氮气压力在0.4-1.2MPa，氮气提取率45-58%，由于该工艺进入精馏塔的气体呈气液饱和或带液状态，特别是进入塔釡的液体是不参与精馏的；其能耗在0.26－0.4KWh/NM3N2，可见该方法的能耗较高且压力不达标。现有技术中，常见的另一种空气分离制取压力氮气的方法采用了空气膨胀单塔制氮，氮气压力在0.2-0.3 MPa，其能耗约0.23 KWh/NM3N2，因此，能耗仍然居高不下且压力不达标。现有技术中，一种空气分离制取压力氮气的方法采用了双塔制氮、低压塔底蒸发的富氧气膨胀制冷（双塔返流）流程，所得氮气压力在0.2-0.25MPa时，能耗约为0.22 KWh/NM3N2，因此，该方法仍然不能充分满足实际生产的需求。
在现有技术中，中国专利CN100581996C公开了一种空气分离制取压力氮气的装置和方法，该装置包括增压透平膨胀机、空气冷却器、主换热器、低压塔、设置在低压塔内的再沸器、低压塔冷凝蒸发器、高压塔、高压塔冷凝蒸发器以及过冷器；该方法将原料空气由主换热器冷却进入增压透平膨胀机，膨胀致冷后，进入低压塔精馏分离，在低压塔顶得到高纯度的压力氮气作为产品输出；部分原料空气进主换热器冷却后进入高压塔精馏分离，在高压塔顶得到高压氮气可作为产品输出；该方法制得的氮气的提取率可达78－86%，氮气压力在0.2-0.3MPa，其能耗在0.18－0.26 KWh/NM3N2。
由此可见，现有技术中尚不存在一种生产能够达到上述指标的高纯氮的高效方法，因此，研发出一种从空气中分离出高纯氮的方法，并确保所得氮气的压力为0.5~1.2MPa，氮气纯度99.9%-99.9999%，且存在少量液态氮（≤5%氮气产量），成为当今化工研发人员的研究热点之一。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中存在的种种缺陷，并提供一种高效地从空气中分离出高纯氮的方法，满足精密电子工业、生物医药等领域中使用高纯氮的需求，并确保所得氮气的压力为0.5~1.2MPa，氮气纯度99.9%-99.9999%，且存在少量液态氮；同时具备提取率高、能耗低的特点。
因此，本发明的第一方面提供了一种高效生产高纯氮的方法，包括如下步骤：
输入纯化干燥后的空气，分为两股原料空气：
其中一股原料空气直接进入主换热器E1，并在主换热器E1中冷却至饱和状态，产生饱和空气，然后将饱和空气输送至高压精馏塔C1塔釜；
其中另一股原料空气进入增压机Z01进行增压，然后经空气冷却器E3冷却至常温，接着进入所述主换热器E1中进一步冷却，再从所述主换热器E1的中部抽出，进入透平膨胀机ET01膨胀，最后进入中压精馏塔C2的中下部；
所述高压精馏塔C1用于分离出富氧液空和高压氮气；
其中，所述富氧液空从所述高压精馏塔C1底部抽出，经过冷器E2过冷、节流后，进入高压精馏塔冷凝蒸发器K1中蒸发成气态并输出中压富氧气，所述中压富氧气被进一步输送至中压精馏塔C2塔釜；
其中，所述高压氮气从所述高压精馏塔C1塔顶抽出，并被分为两股：第一股高压氮气进入所述高压精馏塔冷凝蒸发器K1中被冷凝成液氮，并与液氮泵P01输出的增压液氮混合，得到液氮回流液，所述液氮回流液回流至所述高压精馏塔C1的塔顶；第二股高压氮气先后经所述主换热器E1、所述空气冷却器E3复热后，作为高纯氮气产品输出；
所述中压精馏塔C2用于分离出中压氮气和富氧液；
其中，所述中压氮气从所述中压精馏塔C2塔顶抽出，并进入中压精馏塔冷凝蒸发器K2，被冷凝成中压液氮；所述中压液氮被分为两股：第一股中压液氮返回所述中压精馏塔C2塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压后输出所述增压液氮；
其中，所述富氧液从所述中压精馏塔C2底部抽出，经过冷器E2过冷、节流后，进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2，蒸发成富氧气，所述富氧气先后经所述过冷器E2、所述主换热器E1复热后，作为富氧气副产品输出。
优选地，在上述方法中，所述其中一股原料空气直接进入主换热器E1，并在主换热器E1中冷却至饱和状态，产生-150~-170℃的饱和空气，然后将所述饱和空气输送至高压精馏塔C1塔釜。
优选地，在上述方法中，所述另一股原料空气进入增压机Z01增压至0.80~1.25MPa，然后经空气冷却器E3冷却至常温，接着进入所述主换热器E1中进一步冷却至-120~-140℃，再从所述主换热器E1的中部抽出，进入透平膨胀机ET01膨胀至0.18~0.25MPa，最后进入中压精馏塔C2的中下部。
优选地，在上述方法中，所述富氧液空从所述高压精馏塔C1底部抽出，经过冷器E2过冷、节流至0.20~0.30MPa后，再进入高压精馏塔冷凝蒸发器K1中。
优选地，在上述方法中，所述富氧液从所述中压精馏塔C2底部抽出，经过冷器E2过冷、节流至0.02~0.04MPa后，再进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2中。
优选地，在上述方法中，所述第二股中压液氮进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压至0.85~1.25MPa后输出所述增压液氮。
优选地，在上述方法中，所述高压精馏塔C1的操作压力为0.9~1.3MPa，所述中压精馏塔C2的操作压力为0.3~0.5MPa。
进一步优选地，可对该高效生产高纯氮的装置进行改进，具体为：将中压精馏塔C2的中压氮气出口分支为两条管线，其中一条管线连接至所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2的中压氮气进口，其中另一条管线连接至液氮储罐G01的中压氮气入口；相应地，中压精馏塔冷凝蒸发器K2的液氮出口分别连接中压精馏塔C2的液氮进口和液氮储罐G01的液氮入口，而所述液氮储罐G01的液氮出口分别连接至高压精馏塔C1的液氮进口和液氮输出管线，所述液氮输出管线用于输出高纯液氮产品。因此，所述高效生产高纯氮的方法还包括生产高纯液氮产品的步骤：
所述中压氮气从所述中压精馏塔C2塔顶抽出，分为两部分，其中一部分中压氮气流入液氮储罐G01；其中另一部分中压氮气进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2，被冷凝成中压液氮；所述中压液氮被分为两股：第一股中压液氮返回所述中压精馏塔C2塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮流入所述液氮储罐G01；
从所述液氮储罐G01流出的液氮储液，分流为两部分，第一部分液氮储液进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压后输出所述增压液氮；第二部分液氮储液，直接作为高纯液氮产品输出；
其中，所述高纯氮包括所述高纯氮气产品和所述高纯液氮产品。
进一步优选地，在上述方法中，使用循环冷却水作为所述空气冷却器E3的冷却介质。
本发明的第二方面，提供了一种高效生产高纯氮的装置，用于实施上述方法，所述装置包括以下设备：
透平膨胀机ET01及与其相连的增压机Z01、空气冷却器E3、主换热器E1、高压精馏塔C1、高压精馏塔冷凝蒸发器K1、过冷器E2、中压精馏塔C2、中压精馏塔冷凝蒸发器K2、液氮泵P01，节流阀V301、节流阀V501，其它阀门与若干管线，用于连接以上各设备；并且，上述各设备之间的连接关系如下：
增压机Z01进口连接原料空气支路一，增压机Z01出口连接空气冷却器E3的原料空气进口，空气冷却器E3的原料空气出口连接主换热器E1的第一原料空气进口，主换热器E1的第一原料空气出口连接透平膨胀机ET01入口，透平膨胀机ET01出口连接至中压精馏塔C2的原料空气进口；
主换热器E1的第二原料空气进口连接原料空气支路二，主换热器E1的第二原料空气出口连接至高压精馏塔C1的原料空气进口；
高压精馏塔C1的富氧液空出口连接至过冷器E2的高压富氧液空进口，过冷器E2的高压富氧液空出口经节流阀V301连接至高压精馏塔冷凝蒸发器K1的富氧液空进口；高压精馏塔冷凝蒸发器K1的中压富氧气出口连接至中压精馏塔C2的富氧气进口；
高压精馏塔C1的高压氮气出口分支为两条管线，其中一条管线连接高压精馏塔冷凝蒸发器K1的高压氮气进口，其中另一条管线连接主换热器E1的高压氮气进口；高压精馏塔冷凝蒸发器K1的液氮出口分别连接液氮泵P01的出口和高压精馏塔C1的液氮进口；
中压精馏塔C2的富氧液出口连接过冷器E2的中压富氧液进口，过冷器E2的中压富氧液出口经节流阀V501连接中压精馏塔冷凝蒸发器K2的富氧液进口，中压精馏塔冷凝蒸发器K2的富氧气出口连接过冷器E2的富氧气进口，过冷器E2的富氧气出口连接至主换热器E1的富氧气进口，主换热器E1的富氧气出口连接富氧气副产品输出管线；
中压精馏塔C2的中压氮气出口连接至中压精馏塔冷凝蒸发器K2的中压氮气进口，中压精馏塔冷凝蒸发器K2的液氮出口分别连接中压精馏塔C2的液氮进口和液氮泵P01的液氮进口；液氮泵P01的液氮出口连接至高压精馏塔C1的液氮进口；
主换热器E1的高压氮气出口连接空气冷却器E3的高压氮气进口，空气冷却器E3的高压氮气出口连接高压氮气输出管线，用于输出高纯氮气产品。
本发明的第三方面，提供了一种本发明第一方面所述的方法制得的高纯氮气产品，所述高纯氮气产品的输出压力为0.5~1.2MPa，其中N2纯度为99.9%~99.9999%，能耗约为0.2-0.23 KWh/NM3N2。可见，所制得的高纯氮达到了相关的国家标准。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明可实现高纯氮的提取率达到60-75%；本发明所述方法单位产品的能耗比单塔返流富氧气膨胀制冷的制氮工艺的能耗降低约20-30%；
（2）所获得的高纯氮气产品的输出压力达到0.5~1.2MPa，N2纯度高达99.9%~99.9999%；
（3）高纯氮产品形式多样，生产的高纯氮产品可以是气体，也可为部分液氮产品，可被进一步输送至液体储槽贮存；
（4）本发明所提供的高效生产高纯氮的方法，以空气为原料，经济实用，产品安全可靠，该方法可得到广泛应用，具有良好的市场前景。
附图说明
图1为实施例1所述的高效生产高纯氮的装置的工艺流程方法示意图；
其中：101为干路中的纯化干燥后的空气，102、201分别为一股原料空气、另一股原料空气（支路中的纯化干燥后的空气），103为从主换热器E1输出的饱和空气，202为增压后的空气，203为膨胀前的空气，204为膨胀后的空气；401、402、405、406为高压氮气，403为液氮，404为液氮回流液，416为增压液氮，407、408为中压氮气，409、410、411、412、414为中压液氮，301、302、303为富氧液空，304为中压富氧气，501、502、503为中压精馏塔C2底部抽出的富氧液，504为蒸发后的富氧气，505为富氧气，506为富氧气副产品，E1为主换热器，E2为过冷器，E3为空气冷却器，K1为高压精馏塔冷凝蒸发器，K2为中压精馏塔冷凝蒸发器，C1为高压精馏塔，C2为中压精馏塔，ET01为透平膨胀机，Z01为连接透平膨胀机的增压机，V301、V501均为节流阀，V201、V401、V402、V403、V404均为控制阀；
图2为实施例2所述的高效生产高纯氮的装置的工艺流程方法示意图；
其中：101为干路中的纯化干燥后的空气，102、201分别为一股原料空气、另一股原料空气（支路中的纯化干燥后的空气），103为从主换热器E1输出的饱和空气，202为增压后的空气，203为膨胀前的空气，204为膨胀后的空气；401、402、405、406为高压氮气，403为液氮，404为液氮回流液，416为增压液氮，407、408、413为中压氮气，409、410、411、412、414、415为中压液氮，301、302、303为富氧液空，304为中压富氧气，501、502、503为中压精馏塔C2底部抽出的富氧液，504为蒸发后的富氧气，505为富氧气，506为富氧气副产品，E1为主换热器，E2为过冷器，E3为空气冷却器，K1为高压精馏塔冷凝蒸发器，K2为中压精馏塔冷凝蒸发器，C1为高压精馏塔，C2为中压精馏塔，ET01为透平膨胀机，Z01为连接透平膨胀机的增压机，G01为液氮储罐，V301、V501均为节流阀，V201、V401、V402、V403、V404、V506均为控制阀。
具体实施方式
本发明的第一方面，提供了一种高效生产高纯氮的方法，包括如下步骤：
输入纯化干燥后的空气，分为两股原料空气：
其中一股原料空气直接进入主换热器E1，并在主换热器E1中冷却至饱和状态，产生饱和空气，然后将饱和空气输送至高压精馏塔C1塔釜；
其中另一股原料空气进入增压机Z01进行增压，然后经空气冷却器E3冷却至常温，接着进入所述主换热器E1中进一步冷却，再从所述主换热器E1的中部抽出，进入透平膨胀机ET01膨胀，最后进入中压精馏塔C2的中下部；
所述高压精馏塔C1用于分离出富氧液空和高压氮气；
其中，所述富氧液空从所述高压精馏塔C1底部抽出，经过冷器E2过冷、节流后，进入高压精馏塔冷凝蒸发器K1中蒸发成气态并输出中压富氧气，所述中压富氧气被进一步输送至中压精馏塔C2塔釜；
其中，所述高压氮气从所述高压精馏塔C1塔顶抽出，并被分为两股：第一股高压氮气进入所述高压精馏塔冷凝蒸发器K1中被冷凝成液氮，并与液氮泵P01输出的增压液氮混合，得到液氮回流液，所述液氮回流液回流至所述高压精馏塔C1的塔顶；第二股高压氮气先后经所述主换热器E1、所述空气冷却器E3复热后，作为高纯氮气产品输出；
所述中压精馏塔C2用于分离出中压氮气和富氧液；
其中，所述中压氮气从所述中压精馏塔C2塔顶抽出，并进入中压精馏塔冷凝蒸发器K2，被冷凝成中压液氮；所述中压液氮被分为两股：第一股中压液氮返回所述中压精馏塔C2塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压后输出所述增压液氮；
其中，所述富氧液从所述中压精馏塔C2底部抽出，经过冷器E2过冷、节流后，进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2，蒸发成富氧气，所述富氧气先后经所述过冷器E2、所述主换热器E1复热后，作为富氧气副产品输出。
在一个优选实施例中，所述其中一股原料空气直接进入主换热器E1，并在主换热器E1中冷却至饱和状态，产生-150~-170℃的饱和空气，然后将所述饱和空气输送至高压精馏塔C1塔釜。
在一个优选实施例中，所述另一股原料空气进入增压机Z01增压至0.80~1.25MPa，然后经空气冷却器E3冷却至常温，接着进入所述主换热器E1中进一步冷却至-120~-140℃，再从所述主换热器E1的中部抽出，进入透平膨胀机ET01膨胀至0.18~0.25MPa，最后进入中压精馏塔C2的中下部。
在一个优选实施例中，所述富氧液空从所述高压精馏塔C1底部抽出，经过冷器E2过冷、节流至0.20~0.30MPa后，再进入高压精馏塔冷凝蒸发器K1中。
在一个优选实施例中，所述富氧液从所述中压精馏塔C2底部抽出，经过冷器E2过冷、节流至0.02~0.04MPa后，再进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2中。
在一个优选实施例中，所述第二股中压液氮进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压至0.85~1.25MPa后输出所述增压液氮。
在一个优选实施例中，所述高压精馏塔C1的操作压力为0.9~1.3MPa，所述中压精馏塔C2的操作压力为0.3~0.5MPa。
在一个进一步优选的实施例中，上述方法还包括生产高纯液氮产品的步骤：
所述中压氮气从所述中压精馏塔C2塔顶抽出，分为两部分，其中一部分中压氮气流入液氮储罐G01；其中另一部分中压氮气进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2，被冷凝成中压液氮；所述中压液氮被分为两股：第一股中压液氮返回所述中压精馏塔C2塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮流入所述液氮储罐G01；
从所述液氮储罐G01流出的液氮储液，分流为两部分，第一部分液氮储液进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压后输出所述增压液氮；第二部分液氮储液，直接作为高纯液氮产品输出；
其中，所述高纯氮包括所述高纯氮气产品和所述高纯液氮产品。
在一个进一步优选的实施例中，使用循环冷却水作为所述空气冷却器E3的冷却介质。
本发明的第二方面，提供了一种高效生产高纯氮的装置，包括以下设备：
透平膨胀机ET01及与其相连的增压机Z01、空气冷却器E3、主换热器E1、高压精馏塔C1、高压精馏塔冷凝蒸发器K1、过冷器E2、中压精馏塔C2、中压精馏塔冷凝蒸发器K2、液氮泵P01，节流阀V301、节流阀V501，其它阀门与若干管线，用于连接以上各设备；并且，上述各设备之间的连接关系如下：
增压机Z01进口连接原料空气支路一，增压机Z01出口连接空气冷却器E3的原料空气进口，空气冷却器E3的原料空气出口连接主换热器E1的第一原料空气进口，主换热器E1的第一原料空气出口连接透平膨胀机ET01入口，透平膨胀机ET01出口连接至中压精馏塔C2的原料空气进口；
主换热器E1的第二原料空气进口连接原料空气支路二，主换热器E1的第二原料空气出口连接至高压精馏塔C1的原料空气进口；
高压精馏塔C1的富氧液空出口连接至过冷器E2的高压富氧液空进口，过冷器E2的高压富氧液空出口经节流阀V301连接至高压精馏塔冷凝蒸发器K1的富氧液空进口；高压精馏塔冷凝蒸发器K1的中压富氧气出口连接至中压精馏塔C2的富氧气进口；
高压精馏塔C1的高压氮气出口分支为两条管线，其中一条管线连接高压精馏塔冷凝蒸发器K1的高压氮气进口，其中另一条管线连接主换热器E1的高压氮气进口；高压精馏塔冷凝蒸发器K1的液氮出口分别连接液氮泵P01的出口和高压精馏塔C1的液氮进口；
中压精馏塔C2的富氧液出口连接过冷器E2的中压富氧液进口，过冷器E2的中压富氧液出口经节流阀V501连接中压精馏塔冷凝蒸发器K2的富氧液进口，中压精馏塔冷凝蒸发器K2的富氧气出口连接过冷器E2的富氧气进口，过冷器E2的富氧气出口连接至主换热器E1的富氧气进口，主换热器E1的富氧气出口连接富氧气副产品输出管线；
中压精馏塔C2的中压氮气出口连接至中压精馏塔冷凝蒸发器K2的中压氮气进口，中压精馏塔冷凝蒸发器K2的液氮出口分别连接中压精馏塔C2的液氮进口和液氮泵P01的液氮进口；液氮泵P01的液氮出口连接至高压精馏塔C1的液氮进口；
主换热器E1的高压氮气出口连接空气冷却器E3的高压氮气进口，空气冷却器E3的高压氮气出口连接高压氮气输出管线，用于输出高纯氮气产品。
本发明的第三方面，提供了一种本发明第一方面所述的方法制得的高纯氮气产品，该高纯氮气产品的输出压力为0.5~1.2MPa，其中N2纯度为99.9%~99.9999%。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法中的各步骤如无特殊说明均为常规步骤；所述设备如无特殊说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
采用如图1所示的工艺流程方法生产高纯氮气产品：
将纯化干燥后的空气101（7300 NM3/h，0.75MPa）分为两股原料空气，其中：一股原料空气102（5500 NM3/h）进入主换热器E1，并在该主换热器E1中冷却至饱和状态，产生-168℃的饱和空气103，然后将饱和空气输送至高压精馏塔C1塔釜（操作压力1.1MPa），在该高压精馏塔C1中分离成富氧液空301和高压氮气401；另一股原料空气201（1800 NM3/h）进入增压机Z01中被增压至0.92MPa，然后经空气冷却器E3冷却至20℃，接着进入主换热器E1中进一步冷却至-140℃，再从所述主换热器E1的中部抽出，进入透平膨胀机ET01膨胀至0.22MPa，最后，膨胀后的空气204进入中压精馏塔C2的中下部；
富氧液空301从所述高压精馏塔C1底部抽出，经过冷器E2过冷、经节流阀V301节流至0.25MPa后，进入高压精馏塔冷凝蒸发器K1中蒸发成中压富氧气304并输出，所述中压富氧气304被进一步输送至中压精馏塔C2塔釜；
高压氮气401（5500 NM3/h）从所述高压精馏塔C1塔顶抽出，并被分为两股：第一股高压氮气402（1500 NM3/h）进入所述高压精馏塔冷凝蒸发器K1中被冷凝成液氮403，并与液氮泵P01输出的增压液氮416（1700 NM3/h）混合，得到液氮回流液404，所述液氮回流液404回流至所述高压精馏塔C1的塔顶；第二股高压氮气405先后经所述主换热器E1、所述空气冷却器E3复热后，作为高纯氮气产品（高压氮气406，4000 NM3/h，0.7MPa，含氧量≤3ppm）输出；
膨胀后的空气204与中压富氧气304（3200NM3/h）在中压精馏塔C2（操作压力0.3MPa）中精馏分离成中压氮气407（3650NM3/h，含氧量≤3ppm）和富氧液501；
所述中压氮气407从所述中压精馏塔C2塔顶抽出，并进入中压精馏塔冷凝蒸发器K2，被冷凝成中压液氮409；所述中压液氮409被分为两股：第一股中压液氮410返回所述中压精馏塔C2塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮411（1730NM3/h，0.21MPa）进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压至0.9MPa后输出所述增压液氮416；
所述富氧液501从所述中压精馏塔C2底部抽出，经过冷器E2过冷、经节流阀V501节流至0.03MPa后，进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2，蒸发成富氧气504，所述富氧气504先后经所述过冷器E2、所述主换热器E1复热后，作为富氧气副产品506输出。
实施例2
采用如图2所示的工艺流程方法生产高纯氮气产品和高纯液氮产品：
将纯化干燥后的空气101（7300 NM3/h，0.72MPa）分为两股原料空气，其中：一股原料空气102（5500 NM3/h）进入主换热器E1，并在该主换热器E1中冷却至饱和状态，产生-160℃的饱和空气103，然后将饱和空气输送至高压精馏塔C1塔釜（操作压力1.2MPa），在该高压精馏塔C1中分离成富氧液空301和高压氮气401；另一股原料空气201（1800 NM3/h）进入增压机Z01中被增压至1.15MPa，然后经空气冷却器E3冷却至20℃，接着进入主换热器E1中进一步冷却至-129℃，再从所述主换热器E1的中部抽出，进入透平膨胀机ET01膨胀至0.25MPa，最后，膨胀后的空气204进入中压精馏塔C2的中下部；
富氧液空301从所述高压精馏塔C1底部抽出，经过冷器E2过冷、经节流阀V301节流至0.21MPa后，进入高压精馏塔冷凝蒸发器K1中蒸发成中压富氧气304并输出，所述中压富氧气304被进一步输送至中压精馏塔C2塔釜；
高压氮气401（5500 NM3/h）从所述高压精馏塔C1塔顶抽出，并被分为两股：第一股高压氮气402（1500 NM3/h）进入所述高压精馏塔冷凝蒸发器K1中被冷凝成液氮403，并与液氮泵P01输出的增压液氮416（1700 NM3/h）混合，得到液氮回流液404，所述液氮回流液404回流至所述高压精馏塔C1的塔顶；第二股高压氮气405先后经所述主换热器E1、所述空气冷却器E3复热后，作为高纯氮气产品（高压氮气406，4000 NM3/h，0.8MPa，含氧量≤3ppm）输出；
膨胀后的空气204与中压富氧气304（3200NM3/h）在中压精馏塔C2（操作压力0.32MPa）中精馏分离成中压氮气407（3650NM3/h，含氧量≤3ppm）和富氧液501；
所述中压氮气407从所述中压精馏塔C2塔顶抽出，分为两部分，其中一部分中压氮气413流入液氮储罐G01；其中另一部分中压氮气408进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2，被冷凝成中压液氮409；所述中压液氮409被分为两股：第一股中压液氮410返回所述中压精馏塔C2塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮411（1730NM3/h，0.23MPa）流入所述液氮储罐G01；
从所述液氮储罐G01流出的液氮储液（中压液氮414），分流为两部分，第一部分液氮储液（1700NM3/h）进入所述液氮泵P01，被该液氮泵增压至1.08MPa后输出增压液氮416；第二部分液氮储液（中压液氮415，30NM3/h），直接作为高纯液氮产品输出；
所述富氧液501从所述中压精馏塔C2底部抽出，经过冷器E2过冷、经节流阀V501节流至0.02MPa后，进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器K2，蒸发成富氧气504，所述富氧气504先后经所述过冷器E2、所述主换热器E1复热后，作为富氧气副产品506输出。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种高效生产高纯氮的方法，其特征在于，包括如下步骤：
输入纯化干燥后的空气，分为两股原料空气：
其中一股原料空气直接进入主换热器（E1），并在主换热器（E1）中冷却至饱和状态，产生饱和空气，然后将饱和空气输送至高压精馏塔（C1）塔釜；
其中另一股原料空气进入增压机（Z01）进行增压，然后经空气冷却器（E3）冷却至常温，接着进入所述主换热器（E1）中进一步冷却，再从所述主换热器（E1）的中部抽出，进入透平膨胀机（ET01）膨胀，最后进入中压精馏塔（C2）的中下部；
所述高压精馏塔（C1）用于分离出富氧液空和高压氮气；
其中，所述富氧液空从所述高压精馏塔（C1）底部抽出，经过冷器（E2）过冷、节流后，进入高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）中蒸发成气态并输出中压富氧气，所述中压富氧气被进一步输送至中压精馏塔（C2）塔釜；
其中，所述高压氮气从所述高压精馏塔（C1）塔顶抽出，并被分为两股：第一股高压氮气进入所述高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）中被冷凝成液氮，并与液氮泵（P01）输出的增压液氮混合，得到液氮回流液，所述液氮回流液回流至所述高压精馏塔（C1）的塔顶；第二股高压氮气先后经所述主换热器（E1）、所述空气冷却器（E3）复热后，作为高纯氮气产品输出；
所述中压精馏塔（C2）用于分离出中压氮气和富氧液；
其中，所述中压氮气从所述中压精馏塔（C2）塔顶抽出，并进入中压精馏塔冷凝蒸发器（K2），被冷凝成中压液氮；所述中压液氮被分为两股：第一股中压液氮返回所述中压精馏塔（C2）塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮进入所述液氮泵（P01），被该液氮泵增压后输出所述增压液氮；
其中，所述富氧液从所述中压精馏塔（C2）底部抽出，经过冷器（E2）过冷、节流后，进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器（K2），蒸发成富氧气，所述富氧气先后经所述过冷器（E2）、所述主换热器（E1）复热后，作为富氧气副产品输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述其中一股原料空气直接进入主换热器（E1），并在主换热器（E1）中冷却至饱和状态，产生-150~-170℃的饱和空气，然后将所述饱和空气输送至高压精馏塔（C1）塔釜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一股原料空气进入增压机（Z01）增压至0.80~1.25MPa，然后经空气冷却器（E3）冷却至常温，接着进入所述主换热器（E1）中进一步冷却至-120~-140℃，再从所述主换热器（E1）的中部抽出，进入透平膨胀机（ET01）膨胀至0.18~0.25MPa，最后进入中压精馏塔（C2）的中下部。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富氧液空从所述高压精馏塔（C1）底部抽出，经过冷器（E2）过冷、节流至0.20~0.30MPa后，再进入高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富氧液从所述中压精馏塔（C2）底部抽出，经过冷器（E2）过冷、节流至0.02~0.04MPa后，再进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器（K2）中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二股中压液氮进入所述液氮泵（P01），被该液氮泵增压至0.85~1.25MPa后输出所述增压液氮。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压精馏塔（C1）的操作压力为0.9~1.3MPa，所述中压精馏塔（C2）的操作压力为0.3~0.5MPa。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的方法，其特征在于，还包括生产高纯液氮产品的步骤：
所述中压氮气从所述中压精馏塔（C2）塔顶抽出，分为两部分，其中一部分中压氮气流入液氮储罐（G01）；其中另一部分中压氮气进入所述中压精馏塔冷凝蒸发器（K2），被冷凝成中压液氮；所述中压液氮被分为两股：第一股中压液氮返回所述中压精馏塔（C2）塔顶，作为该中压精馏塔的回流液；第二股中压液氮流入所述液氮储罐（G01）；
从所述液氮储罐（G01）流出的液氮储液，分流为两部分，第一部分液氮储液进入所述液氮泵（P01），被该液氮泵增压后输出所述增压液氮；第二部分液氮储液，直接作为高纯液氮产品输出；
其中，所述高纯氮包括所述高纯氮气产品和所述高纯液氮产品。
9.一种高效生产高纯氮的装置，其特征在于，包括以下设备：
透平膨胀机（ET01）及与其相连的增压机（Z01）、空气冷却器（E3）、主换热器（E1）、高压精馏塔（C1）、高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）、过冷器（E2）、中压精馏塔（C2）、中压精馏塔冷凝蒸发器（K2）、液氮泵（P01），节流阀（V301）、节流阀（V501），其它阀门与若干管线，用于连接以上各设备；并且，上述各设备之间的连接关系如下：
增压机（Z01）进口连接原料空气支路一，增压机（Z01）出口连接空气冷却器（E3）的原料空气进口，空气冷却器（E3）的原料空气出口连接主换热器（E1）的第一原料空气进口，主换热器（E1）的第一原料空气出口连接透平膨胀机（ET01）入口，透平膨胀机（ET01）出口连接至中压精馏塔（C2）的原料空气进口；
主换热器（E1）的第二原料空气进口连接原料空气支路二，主换热器（E1）的第二原料空气出口连接至高压精馏塔（C1）的原料空气进口；
高压精馏塔（C1）的富氧液空出口连接至过冷器（E2）的高压富氧液空进口，过冷器（E2）的高压富氧液空出口经节流阀（V301）连接至高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）的富氧液空进口；高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）的中压富氧气出口连接至中压精馏塔（C2）的富氧气进口；
高压精馏塔（C1）的高压氮气出口分支为两条管线，其中一条管线连接高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）的高压氮气进口，其中另一条管线连接主换热器（E1）的高压氮气进口；高压精馏塔冷凝蒸发器（K1）的液氮出口分别连接液氮泵（P01）的出口和高压精馏塔（C1）的液氮进口；
中压精馏塔（C2）的富氧液出口连接过冷器（E2）的中压富氧液进口，过冷器（E2）的中压富氧液出口经节流阀（V501）连接中压精馏塔冷凝蒸发器（K2）的富氧液进口，中压精馏塔冷凝蒸发器（K2）的富氧气出口连接过冷器（E2）的富氧气进口，过冷器（E2）的富氧气出口连接至主换热器（E1）的富氧气进口，主换热器（E1）的富氧气出口连接富氧气副产品输出管线；
中压精馏塔（C2）的中压氮气出口连接至中压精馏塔冷凝蒸发器（K2）的中压氮气进口，中压精馏塔冷凝蒸发器（K2）的液氮出口分别连接中压精馏塔（C2）的液氮进口和液氮泵（P01）的液氮进口；液氮泵（P01）的液氮出口连接至高压精馏塔（C1）的液氮进口；
主换热器（E1）的高压氮气出口连接空气冷却器（E3）的高压氮气进口，空气冷却器（E3）的高压氮气出口连接高压氮气输出管线，用于输出高纯氮气产品。
10.一种根据权利要求1~8中任一项所述的方法制得的高纯氮气产品，其特征在于，所述高纯氮气产品的输出压力为0.5~1.2MPa，其中N2纯度为99.9%~99.9999%。
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