CN113883829A - 一种低能耗制取高纯氮的方法及 - Google Patents

一种低能耗制取高纯氮的方法及 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低能耗制取高纯氮的方法及装置，该装置包括：精馏系统、换热系统和膨胀系统，精馏系统包括压力氮塔、低压氮塔和低纯氧塔；换热系统包括压力氮塔主冷凝蒸发器、低压氮塔冷凝器、低纯氧塔蒸发器、第一换热器和第二换热器；膨胀系统包括膨胀机，膨胀机具有增压端和膨胀端；各设备部件间经管道进行连接。该方法及装置设置三台精馏塔，采用三级精馏的工艺，利用空气沸点比氮气更高的特性，合理组织换热，有效降低了压力氮塔的工作压力及所需原料空气的压力，实现了降低生产能耗，提高经济效益的目的。

Description

一种低能耗制取高纯氮的方法及
技术领域
本发明涉及空气低温分离纯化技术领域，尤其涉及一种低能耗制取高纯氮的方法及装置。
背景技术
随着石化、石油、新材料、电子等行业的飞速发展，市场对于高纯氮产品的需求量越来越大。目前，工业上规模化制氮采用的方法主要有低温精馏法、变压吸附法和膜分离法三种。随着市场上对高纯氮用量规模的扩大，变压吸附法和膜分离法已无法满足当前的制备要求，尤其对于中大型高纯氮制备装置而言，低温精馏法制取高纯氮已成首选。低温精馏法制取高纯氮的常规工艺方法有单塔精馏和双塔精馏，相比而言，双塔精馏较单塔精馏有着更低的运行能耗，但随着高纯氮需求量及需求规模的增长，以及越来越激烈的市场竞争，使得当前的双塔精馏方法也不能完全满足市场生产的需求，因此，急需一种比现有双塔精馏能耗更低，经济效益更好的高纯氮制备方法及设备。
发明内容
为克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种低能耗制取高纯氮的方法及装置，该方法及装置设置三台精馏塔，采用三级精馏，利用空气比氮气有更高沸点的特性，合理组织换热，有效降低了压力氮塔的工作压力及原料空气的压力，实现了降低生产能耗，提高经济效益的目的。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低能耗制取高纯氮的方法，包括以下步骤：
S100：纯化空气经第一换热器冷却，分为三部分，一部分进入压力氮塔底部进行精馏，一部分进入低压氮塔下部参与精馏，一部分进入低纯氧塔蒸发器作为热源，冷凝后经第二换热器过冷，然后节流进入低压氮塔下部参与精馏；
S200：在所述压力氮塔的底部获得富氧液空，顶部获得压力氮气，所述压力氮塔底部的富氧液空经第二换热器过冷后进入所述低压氮塔下部参与精馏；所述压力氮塔顶部的压力氮气进入压力氮塔主冷凝蒸发器作为热源，被液化后一部分回流所述压力氮塔，一部分经所述第二换热器过冷后进入所述低压氮塔顶部参与精馏；
S300：所述低压氮塔的底部得到低纯液氧，顶部得到低压氮气，所述低压氮塔底部的低纯液氧进入所述压力氮塔主冷凝蒸发器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的低纯氧气返回所述低压氮塔底部，未被蒸发的低纯液氧进入低纯氧塔的顶部参与精馏；所述低压氮塔顶部的低压氮气一部分经所述第二换热器和第一换热器复热后作为产品氮气送出，另一部分进入低压氮塔冷凝器作为热源，被液化后回流至所述低压氮塔顶部参与精馏；
S400：所述低纯氧塔的底部得到次低纯液氧，顶部得到低纯氧气，所述低纯氧塔底部的次低纯液氧进入所述低纯氧塔蒸发器作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的低纯氧气返回所述低纯氧塔底部参与精馏，未被蒸发的次低纯液氧经所述第二换热器过冷后进入所述低压氮塔冷凝器作为冷源，被蒸发后经所述第二换热器和第一换热器复热后送出；所述低纯氧塔顶部的低纯氧气返回所述低压氮塔底部参与精馏。
在本申请的一种实施例中，所述步骤S100中，所述纯化空气进入所述第一换热器前分为两部分，一部分直接进入所述第一换热器进行冷却，冷却后分别进入所述压力氮塔进行精馏和进入所述低纯氧塔蒸发器作为热源；另一部分依次经过膨胀机增压端、第一换热器、膨胀机膨胀端和第一换热器，进行增压冷却和膨胀冷却，膨胀冷却后的低温纯化空气进入所述低压氮塔下部参与精馏。
在本申请的一种实施例中，所述步骤S100中，所述纯化空气进入所述第一换热器前分为两部分，一部分直接进入所述第一换热器，冷却后分为低温空气和次低温空气，所述低温空气进入所述压力氮塔底部进行精馏，所述次低温空气进入膨胀机的膨胀端，膨胀制冷后再进入所述第一换热器冷却，再冷却后的膨胀低温空气进入所述低压氮塔下部参与精馏；另一部分经膨胀机增压端增压后进入所述第一换热器进行冷却，冷却后的低温增压空气进入所述低纯氧塔蒸发器作为热源。
在本申请的一种实施例中，所述步骤S200中，还包括抽取所述压力氮塔主冷凝蒸发器中液化产生的压力液氮作为液氮产品；
和/或，
所述步骤S300中，还包括抽取所述低压氮塔冷凝器中液化产生的低压液氮作为液氮产品。
在本申请的一种实施例中，所述步骤S400中，还包括抽取所述低压氮塔冷凝器中作为冷源的次低纯液氧用于安全排放。
一种低能耗制取高纯氮的装置，包括：精馏系统、换热系统和膨胀系统，所述精馏系统包括压力氮塔、低压氮塔和低纯氧塔；所述换热系统包括压力氮塔主冷凝蒸发器、低压氮塔冷凝器、低纯氧塔蒸发器、第一换热器和第二换热器；所述膨胀系统包括膨胀机，所述膨胀机具有增压端和膨胀端；
纯化空气管道经过所述膨胀机和所述第一换热器后分别与所述压力氮塔底部、所述低压氮塔下部和所述低纯氧塔蒸发器的冷凝侧入口连接；
所述压力氮塔上部与所述压力氮塔主冷凝蒸发器的冷凝侧入口连通，为所述压力氮塔主冷凝蒸发器提供作为热源的压力氮气；所述压力氮塔主冷凝蒸发器的冷凝侧出口分别连接所述压力氮塔上部的回流口和经过所述第二换热器连接至所述低压氮塔顶部；所述压力氮塔底部设富氧液空出口，所述富氧液空出口经管道穿过所述第二换热器连接至所述低压氮塔下部；
所述低压氮塔底部与所述压力氮塔主冷凝蒸发器的蒸发侧连通，为所述压力氮塔主冷凝蒸发器提供作为冷源的低纯液氧；所述低压氮塔的顶部与所述低压氮塔冷凝器的冷凝侧入口连通，为所述低压氮塔冷凝器提供作为热源的低压氮气；所述低压氮塔冷凝器冷凝侧出口分别经管道连接至所述低压氮塔上部的回流口和低压液氮产品出口；所述低压氮塔的顶部还设有低压氮出口，所述低压氮出口经管道依次穿过所述第二换热器和第一换热器后连接至氮气产品出口；
所述低纯氧塔的顶部设有低纯液氧入口和低纯氧气出口，所述低纯液氧入口经管道与所述压力氮塔主冷凝蒸发器的蒸发侧排液口连接，所述低纯氧气出口经管道连接至所述低压氮塔下部；所述低纯氧塔的底部与所述低纯氧塔蒸发器的蒸发侧连通，为所述低纯氧塔蒸发器提供作为冷源的次低纯液氧；所述低纯氧塔蒸发器的蒸发侧排液口经管道穿过所述第二换热器连接至所述低压氮塔冷凝器的蒸发侧入口，所述低压氮塔冷凝器的蒸发侧出口经管道依次穿过所述第二换热器和第一换热器连接至低纯氧气出口；
所述低纯氧塔蒸发器的冷凝侧入口与所述纯化空气管道连接，所述低纯氧塔蒸发器的冷凝侧出口经管道穿过所述第二换热器与所述低压氮塔下部连接。
在本申请的一种实施例中，所述压力氮塔、压力氮塔主冷凝蒸发器、低压氮塔和低压氮塔冷凝器由下向上依次连接设置；
所述低纯氧塔蒸发器设置于所述低纯氧塔的底部，所述压力氮塔主冷凝蒸发器的蒸发侧排液口高于所述低纯氧塔顶部的低纯液氧入口。
在本申请的一种实施例中，所述压力氮塔主冷凝蒸发器置于所述压力氮塔上，为组合一；所述低压氮塔冷凝器置于所述低压氮塔上，为组合二；所述低纯氧塔蒸发器置于所述低纯氧塔下，为组合三；所述组合一、二和三并排平行布置。
在本申请的一种实施例中，还包括低纯液氧提升泵，所述低纯液氧提升泵连接所述低压氮塔底部的低纯液氧出口和所述压力氮塔主冷凝蒸发器的蒸发侧入口。
在本申请的一种实施例中，还包膨胀机；
所述纯化空气管道分为第一纯空管、第二纯空管和第三纯空管，所述第一纯空管经过所述第一换热器后连接至所述压力氮塔底部；所述第二纯空管经过所述第一换热器后连接至所述低纯氧塔蒸发器的冷凝侧入口；所述第三纯空管依次经过所述膨胀机的增压端、第一换热器、膨胀机的膨胀端和第一换热器后连接至所述低压氮塔下部；
或者，
所述纯化空气管道分为第一纯空管、第二纯空管和第三纯空管，所述第一纯空管经过所述第一换热器后连接至所述压力氮塔底部；所述第二纯空管经过所述膨胀机的增压端和所述第一换热器后连接至所述低纯氧塔蒸发器的冷凝侧入口；所述第三纯空管依次经过所述第一换热器、膨胀机的膨胀端和第一换热器后连接至所述低压氮塔下部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的低能耗制取高纯氮的方法及装置，通过设置三台精馏塔，采用三级精馏，利用空气比氮气具有更高沸点的特性，对压力氮塔主冷凝蒸发器、低压氮塔冷凝器和低纯氧塔蒸发器进行合理的换热组织，有效降低了压力氮塔的工作压力，降低了制取高纯氮所需原料空气的压力，与常规的单塔制氮和高效的双塔制氮相比，有效降低了生产能耗，提高了经济效益。
2、本发明的装置，采用压力氮塔、压力氮塔主冷凝蒸发器、低压氮塔和低压氮塔冷凝器由下向上依次连接设置，即重叠布置式，该类布置方式的装置适用于撬装供货的小型制氮工厂，或散件供货现场安装的大型制氮工厂，占地面积小。
3、本发明的装置中，组合一、二和三并排平行布置，即并列布置式，该类布置方式的装置高度较矮，可分别进行撬装装配或组合进行撬装装配，现场安装方便，适用于较大型制氮工厂的撬装供货，尤其适用于有限高要求的场合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中低能耗制取高纯氮的方法的流程示意图。
图2为本发明中实施例一的流程示意图。
图3为本发明中实施例二的流程示意图。
图4为本发明中实施例三的流程示意图。
图5为本发明中实施例四的流程示意图。
图6为本发明中实施例一和实施例二的装置布置结构示意图。
图7为本发明中实施例三和实施例四的装置布置结构示意图。
附图标记：
100、压力氮塔；110、压力氮塔主冷凝蒸发器；111、压力液氮产品出口；
200、低压氮塔；201、氮气产品出口；210、低压氮塔冷凝器；211、低压液氮产品出口；212、次低纯液氧出口；213、低纯氧气出口；220、低纯液氧提升泵；
300、低纯氧塔；310、低纯氧塔蒸发器；311、次低纯液氧提升泵；
400、膨胀机；
500、第一换热器；
600、第二换热器；
700、纯化空气管道；710、第一纯空管；720、第二纯空管；721、冷却器；730、第三纯空管。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例一
本实施例提供了一种低能耗制取高纯氮的方法及装置。
如图1和图2所示，该装置包括：精馏系统、换热系统和膨胀系统。其中，精馏系统包括压力氮塔100、低压氮塔200和低纯氧塔300；换热系统包括压力氮塔主冷凝蒸发器110、低压氮塔冷凝器210、低纯氧塔蒸发器310、第一换热器500和第二换热器600；膨胀系统包括膨胀机400，该膨胀机400具有增压端和膨胀端。各设备部件间经管道和阀门等进行连接，具体连接关系如下：
提供原料空气的纯化空气管道700经过膨胀机400和第一换热器500后分别与压力氮塔100底部、低压氮塔200下部和低纯氧塔蒸发器310的冷凝侧入口连接，提供原料空气。
压力氮塔100的上部与压力氮塔主冷凝蒸发器110的冷凝侧入口连通，将压力氮塔100产生的压力氮气送往压力氮塔主冷凝蒸发器110作为热源。压力氮塔主冷凝蒸发器110的冷凝侧出口设分支，一支管道回接至压力氮塔100上部的回流口，另一支管道经过第二换热器600后连接至低压氮塔200的顶部。压力氮塔100底部设有富氧液控出口，该富氧液控出口经管道经管道穿过第二换热器600后连接至低压氮塔200的下部。
低压氮塔200的底部与压力氮塔主冷凝蒸发器110的蒸发侧连通，将低压氮塔200底部产生的低纯液氧供予压力氮塔主冷凝蒸发器110作为冷源。低压氮塔200的顶部与低压氮塔冷凝器210的冷凝侧入口连通，将低压氮塔200顶部产生的低压氮气供予该低压氮塔冷凝器210作为热源。低压氮塔冷凝器210冷凝侧的出口设分支管道，一支管道回接至低压氮塔200上部的回流口；另一支管道连接至外部的低压液氮产品出口211，将低压液氮作为液氮产品送出。低压氮塔200的顶部还设有低压氮出口，该低压氮出口经管道依次穿过第二换热器600和第一换热器210连接至氮气产品出口201，使低压氮塔200产生的部分低压氮气，抽出后复热作为产品氮气送出。
低纯氧塔300的顶部设有低纯液氧入口和低纯氧气出口，该低纯液氧入口经管道与压力氮塔主冷凝蒸发器110的蒸发侧排液口连接，未被蒸发的低纯液氧由该管道排入低纯氧塔300内。低纯氧气出口经管道连接至低压氮塔200的下部，使低纯氧塔300上部产生的低纯氧气返回至低压氮塔200底部参与精馏。低纯氧塔300的底部与低纯氧塔蒸发器310的蒸发侧连通，将低纯氧塔300底部得到的较压力氮塔主冷凝蒸发器110排出的氧含量更高的次低纯液氧送入低纯氧塔蒸发器310作为冷源，进行部分蒸发。低纯氧塔蒸发器310的蒸发侧排液口经管道穿过第二换热器600连接至低压氮塔冷凝器210的蒸发侧入口，将低纯氧塔蒸发器310内未蒸发的次低纯液氧过冷后送往低压氮塔冷凝器210作为冷源。低压氮塔冷凝器210的蒸发侧出口又经管道依次穿过第二换热器600和第一换热器500连接至低纯氧气出口213，被蒸发的低纯氧气经复热后作为以常温低纯氧气形式排出。
低纯氧塔蒸发器310的冷凝侧入口与纯化空气管道700连接，低纯氧塔蒸发器310的冷凝侧出口经管道穿过第二换热器600后连接至低压氮塔200的下部，将低温纯化空气液化、过冷后送往低压氮塔200的底部参与精馏。
纯化空气管道700分为第一纯空管710、第二纯空管720和第三纯空管730，其中，第一纯空管710直接进入第一换热器500进行冷却，冷却后连接至压力氮塔100底部。第二纯空管720也直接进入第一换热器500进行冷却，冷却后连接至低纯氧塔蒸发器310的冷凝侧入口，为低纯氧塔蒸发器310提供热源。第三纯空管730则经过膨胀机400的增压端进行增压后进入第一换热器500，然后连接膨胀机400的膨胀端进行膨胀，膨胀后再经过第一换热器500继续冷却，最后连接至低压氮塔200的下部。该种纯化空气的冷却、增压膨胀处理方式，可使该制氮工艺获得较高的液氮产量。
在膨胀机400的增压端与第一换热器500之间的第三纯空管730上还可以设置一冷却器721，用于对增压后的增压纯化空气进行预冷。
进一步地，还包括次低纯液氧提升泵311，该次低纯液氧提升泵311连接于低纯氧塔蒸发器310蒸发侧排液口与低压氮塔冷凝器210蒸发侧入口之间，用于对次低纯液氧进行增压，确保低纯氧塔蒸发器310抽出的次低纯液氧能够顺利进入低压氮塔冷凝器210内。
如图6所示，本实施例中各部件采用重叠布置式进行设置，其中，压力氮塔100、压力氮塔主冷凝蒸发器110、低压氮塔200和低压氮塔冷凝器210的位置关系为由下向上依次连接设置，即压力氮塔主冷凝蒸发器110重叠设置于压力氮塔100之上，低压氮塔200设置于压力氮塔主冷凝蒸发器110之上，低压氮塔冷凝器210设置于低压氮塔200之上。
同时，低纯氧塔蒸发器310设置于低纯氧塔300的底部之下，且低纯氧塔100的设置位置在压力氮塔主冷凝蒸发器110之下，使得压力氮塔主冷凝蒸发器110下部的蒸发侧排液口高于低纯氧塔300顶部的低纯液氧入口，保证低纯液氧顺利排往低纯氧塔300进行精馏。
压力氮塔100、压力氮塔主冷凝蒸发器110、低压氮塔200和低压氮塔冷凝器210依次重叠设置，该种设置方式使得装置的整体高度较高，占地面积较小，适用于撬装供货的小型制氮工厂或散件供货现场安装的大型制氮工厂。
具体生产高纯氮的流程步骤为：
用于制取高纯氮的原料空气经预处理后得到纯化空气，纯化空气经过第一换热器500进行冷却，冷却后分为三部分，一部分进入压力氮塔100底部进行精馏，一部分进入低压氮塔200下部参与精馏，一部分进入低纯氧塔蒸发器310作为热源，被冷凝液化为液空，液空再经第二换热器600进行过冷，过冷后的过冷液空节流后进入低压氮塔200的下部参与精馏。
经过压力氮塔100的精馏，在压力氮塔100的底部获得富氧液空，在压力氮塔100的顶部获得压力氮气。压力氮塔100底部获得的富氧液空经第二换热器600过冷，过冷后的富氧液空进入低压氮塔200下部参与精馏。压力氮塔100顶部的压力氮气进入压力氮塔主冷凝蒸发器110作为热源，被冷凝液化，液化为压力液氮，该压力液氮一部分回流至压力氮塔100上部参与精馏，另一部分经过第二换热器600进行过冷，过冷后的过冷压力液氮节流后进入低压氮塔200的顶部参与精馏。
经过低压氮塔200的精馏，在低压氮塔200的底部得到低纯液氧，顶部得到低压氮气。低压氮塔200底部的低纯液氧进入压力氮塔主冷凝蒸发器110作为冷源，被部分蒸发，被蒸发产生的低纯氧气返回低压氮塔200的底部参与精馏；未被蒸发的低纯液氧由压力氮塔主冷凝蒸发器110的底部抽出进入低纯氧塔300的顶部参与精馏。低压氮塔200顶部的低压氮气分为两部分，抽取一部分依次经过第二换热器600和第一换热器500进行复热，复热后作为产品氮气由氮气产品出口201送出；其余低压氮气作为另一部分，进入低压氮塔冷凝器210作为热源，被冷凝液化为低压液氮回流至低压氮塔200的顶部参与精馏。
经过低纯氧塔300的精馏，在低纯氧塔300的底部得到次低纯液氧，该次低纯液氧的氧含量较压力氮塔主冷凝蒸发器110底部抽出的低纯液氧的氧含量更高；在低纯氧塔300的顶部得到低纯氧气。低纯氧塔300底部的次低纯液氧进入低纯氧塔蒸发器310作为冷源，被部分蒸发；被蒸发产生的低纯氧气返回低纯氧塔300的底部参与精馏，未被蒸发的次低纯液氧由低纯氧塔蒸发器310的底部抽出，经过第二换热器600进行过冷，过冷后进入低压氮塔冷凝器210作为冷源被蒸发，蒸发为低纯氧气并依次经过第二换热器600和第一换热器500进行复热，复热为常温低纯氧气由低纯氧出口213送出。低纯氧塔300顶部的低纯氧气返回低压氮塔200的底部继续参与精馏。
如需要液氮产品，可将低压氮塔冷凝器210中冷凝液化产生的低压液氮部分抽出，作为液氮产品由低压液氮产品出口211送出；也可将抽出的低压液氮进一步过冷获得更低温度的液氮产品。也可将压力氮塔主冷凝蒸发器110中冷凝产生的液氮部分抽出，作为压力液氮产品由压力液氮产品出口111送出。
同时，可在低压氮塔冷凝器210底部抽取少量作为冷源的次低纯液氧从次低纯液氧出口212排出，用于安全排放，保证装置正常运行，防治碳氢等危害杂质积聚。
其中，在本实施例中，纯化空气进入第一换热器500前被分为两部分，第一部分纯化空气直接进入第一换热器500中冷却为低温纯化空气，冷却后的低温纯化空气再分为两部分，一部分进入压力氮塔100的底部进行精馏，另一部分进入低纯氧塔蒸发器310作为热源；第二部分纯化空气进入膨胀机400的增压端进行增压，增压为增压纯化空气，增压纯化空气进入第一换热器500冷却为低温增压纯化空气，低温增压纯化空气再进入膨胀机400的膨胀端进行膨胀，膨胀制冷后再进入第一换热器500继续冷却为膨胀后低温纯化空气，膨胀后低温纯化空气进入低压氮塔200的下部参与精馏。第二部分纯化空气经增压冷却和膨胀制冷后进入低压氮塔200进行精馏，使得该工艺可获得较高的液氮产量。
实施例二
本实施例提供了一种低能耗制取高纯氮的方法及装置。
如图1、图3和图6所示，本实施例与实施例一的主要区别在于纯化空气在主换热器500及膨胀机400部分的流程管路组织不同。
具体地，在装置的设置上，纯化空气管道700分为第一纯空管710、第二纯空管720和第三纯空管730，其中，第一纯空管710直接进入第一换热器500进行冷却，冷却后连接至压力氮塔100底部。第二纯空管720则先经过膨胀机400的增压端进行增压后进入第一换热器500进行换热，换热后连接至低纯氧塔蒸发器310的冷凝侧入口，为低纯氧塔蒸发器310提供增压冷却后的低温增压空气作为热源，进行冷凝。第三纯空管730先进入第一换热器500进行冷却，冷却后连接至膨胀机400的膨胀端进行膨胀，然后在返回第一换热器500进行冷却，最后连接至低压氮塔200的下部。该种纯化空气的冷却、增压、膨胀处理方式，可使该制氮工艺所需的纯化空气压力更低，从而实现降低该工艺的能耗。
工艺流程上，用于制取高纯氮的原料空气经预处理得到纯化空气后，纯化空气在进入第一换热器500进行换热前分为两部分，一部分直接进入第一换热器500进行冷却，冷却后分为低温空气和次低温空气，低温空气经第一纯空管710连接送往压力氮塔100底部进行精馏；次低温空气经第三纯空管730连接进入膨胀机400的膨胀端进行膨胀，膨胀后再进入第一换热器500继续冷却，膨胀制冷后的膨胀后空气进入低压氮塔200的下部参与精馏。另一部分纯化空气先经过膨胀机400的增压端进行增压，然后，增压空气再进入第一换热器500进行冷却，冷却后的低温增压空气由第二纯空管720输送至低纯氧塔蒸发器310的冷凝侧作为热源，在低纯氧塔蒸发器310中被液化为液化空气，液化空气经过第二换热器600过冷后节流进入低压氮塔200的下部参与精馏。
进一步地，在膨胀机400的增压端与第一换热器500之间的第二纯空管720上还可以设置一冷却器721，用于对增压后的增压纯化空气进行预冷。
该方法充分利用膨胀机400的驱动能力，将膨胀机400驱动的增压端进一步增压后的纯化空气作为低纯氧塔蒸发器310的热源，降低了制取高纯液氮所需要原料空的压力，即降低了该装置及工艺的能耗。
实施例三
本实施例提供了一种低能耗制取高纯氮的方法及装置。
如图1、图4和图7所示，本实施例与实施例一的主要区别在于装置的布置方式不同，本实施例的主要部件采用并列布置式进行设置。
具体地，如图4和图7所示，本实施例中压力氮塔100、压力氮塔主冷凝蒸发器110、低压氮塔200、低压氮塔主冷凝器210、低纯氧塔300和低纯氧塔蒸发器310组合为三部分进行设置。其中，压力氮塔主冷凝蒸发器110设置于压力氮塔100的上部，形成组合一；低压氮塔主冷凝器210设置于低压氮塔200的上部，形成组合二；低纯氧塔蒸发器310设置于低纯氧塔300的下部，形成组合三。该组合一、组合二和组合三位并排平行布置，之间通过管道、阀门及低纯液氧提升泵220等进行连接。
其中，低纯液氧提升泵220连接于低压氮塔200底部的低纯液氧出口和压力氮塔主冷凝蒸发器110的蒸发侧入口之间，用于将低压氮塔200底部的低纯液氧增压送往压力氮塔主冷凝蒸发器110作为冷源，保证装置正常运行。
本实施例中装置的组合设置方式，显著特点是设备高度矮，适用于撬装装配，可将组合一、组合二及组合三整合为一个撬装冷箱，也可将组合一、组合二和组合三分别单独进行撬装，适用于大型制氮工厂的撬装供货，且尤其适用于具有限高要求的场合。
实施例四
本实施例提供了一种低能耗制取高纯氮的方法及装置。
如图1、图5和图7所示，本实施例与实施例二的主要区别在于装置的布置方式不同，本实施例的主要部件采用并列布置式进行设置。
本实施例的装置布置方式与实施例三的装置布置方式相同，此处不再做赘述。
与常规的单塔制氮和高效的双塔制氮进行能耗对比：
以高纯氮产量为4000Nm3/h，压力为0.3MPa，纯度为1ppmO2，采用上述实施例二的方案为例，能耗比较结果见表1.
表1 实施例二与常规单塔制氮和高效双塔制氮的能耗比较
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由表1可知，实施例二的装置及工艺方法制取高纯氮相比常规单塔制取高纯氮的工艺，可节约约21%的能耗；实施例二的装置及工艺方法制取高纯氮相比常规单双塔制取高纯氮的工艺，可节约约8%的能耗。由此可见，本申请的装置及工艺方法节能效果明显，可显著提高制氮企业的经济效益。
综上，本发明的低能耗制取高纯氮的方法及装置，通过设置三台精馏塔，采用三级精馏，利用空气比氮气具有更高沸点的特性，对压力氮塔主冷凝蒸发器110、低压氮塔冷凝器210和低纯氧塔蒸发器310进行合理的换热组织，有效降低了压力氮塔100的工作压力，降低了制取高纯氮所需原料空气的压力，与常规的单塔制氮和高效的双塔制氮相比，可有效降低生产能耗，提高经济效益。
本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准，以上所述仅为发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于次，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低能耗制取高纯氮的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：纯化空气经第一换热器（500）冷却，分为三部分，一部分进入压力氮塔（100）底部进行精馏，一部分进入低压氮塔（200）下部参与精馏，一部分进入低纯氧塔蒸发器（310）作为热源，冷凝后经第二换热器（600）过冷，然后节流进入低压氮塔（200）下部参与精馏；
S200：在所述压力氮塔（100）的底部获得富氧液空，顶部获得压力氮气，所述压力氮塔（100）底部的富氧液空经第二换热器（600）过冷后进入所述低压氮塔（200）下部参与精馏；所述压力氮塔（100）顶部的压力氮气进入压力氮塔主冷凝蒸发器（110）作为热源，被液化后一部分回流所述压力氮塔（100），一部分经所述第二换热器（600）过冷后进入所述低压氮塔（200）顶部参与精馏；
S300：所述低压氮塔（200）的底部得到低纯液氧，顶部得到低压氮气，所述低压氮塔（200）底部的低纯液氧进入所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的低纯氧气返回所述低压氮塔（200）底部，未被蒸发的低纯液氧进入低纯氧塔（300）的顶部参与精馏；所述低压氮塔（200）顶部的低压氮气一部分经所述第二换热器（600）和第一换热器（500）复热后作为产品氮气送出，另一部分进入低压氮塔冷凝器（210）作为热源，被液化后回流至所述低压氮塔（200）顶部参与精馏；
S400：所述低纯氧塔（300）的底部得到次低纯液氧，顶部得到低纯氧气，所述低纯氧塔（300）底部的次低纯液氧进入所述低纯氧塔蒸发器（310）作为冷源部分蒸发，被蒸发产生的低纯氧气返回所述低纯氧塔（300）底部参与精馏，未被蒸发的次低纯液氧经所述第二换热器（600）过冷后进入所述低压氮塔冷凝器（210）作为冷源，被蒸发后经所述第二换热器（600）和第一换热器（500）复热后送出；所述低纯氧塔（300）顶部的低纯氧气返回所述低压氮塔（200）底部参与精馏。
2.根据权利要求1所述的低能耗制取高纯氮的方法，其特征在于，所述步骤S100中，所述纯化空气进入所述第一换热器（500）前分为两部分，一部分直接进入所述第一换热器（500）进行冷却，冷却后分别进入所述压力氮塔（100）进行精馏和进入所述低纯氧塔蒸发器（310）作为热源；另一部分依次经过膨胀机（400）增压端、第一换热器（500）、膨胀机（400）膨胀端和第一换热器（500），进行增压冷却和膨胀冷却，膨胀冷却后的低温纯化空气进入所述低压氮塔（200）下部参与精馏。
3.根据权利要求1所述的低能耗制取高纯氮的方法，其特征在于，所述步骤S100中，所述纯化空气进入所述第一换热器（500）前分为两部分，一部分直接进入所述第一换热器（500），冷却后分为低温空气和次低温空气，所述低温空气进入所述压力氮塔（100）底部进行精馏，所述次低温空气进入膨胀机（400）的膨胀端，膨胀制冷后再进入所述第一换热器（500）冷却，再冷却后的膨胀低温空气进入所述低压氮塔（200）下部参与精馏；另一部分经膨胀机（400）增压端增压后进入所述第一换热器（500）进行冷却，冷却后的低温增压空气进入所述低纯氧塔蒸发器（310）作为热源。
4.根据权利要求1所述的低能耗制取高纯氮的方法，其特征在于，所述步骤S200中，还包括抽取所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）中液化产生的压力液氮作为液氮产品；
和/或，
所述步骤S300中，还包括抽取所述低压氮塔冷凝器（210）中液化产生的低压液氮作为液氮产品。
5.根据权利要求4所述的低能耗制取高纯氮的方法，其特征在于，所述步骤S400中，还包括抽取所述低压氮塔冷凝器（210）中作为冷源的次低纯液氧用于安全排放。
6.一种低能耗制取高纯氮的装置，其特征在于，包括：精馏系统、换热系统和膨胀系统，所述精馏系统包括压力氮塔（100）、低压氮塔（200）和低纯氧塔（300）；所述换热系统包括压力氮塔主冷凝蒸发器（110）、低压氮塔冷凝器（210）、低纯氧塔蒸发器（310）、第一换热器（500）和第二换热器（600）；所述膨胀系统包括膨胀机（400），所述膨胀机（400）具有增压端和膨胀端；
纯化空气管道（700）经过所述膨胀机（400）和所述第一换热器（500）后分别与所述压力氮塔（100）底部、所述低压氮塔（200）下部和所述低纯氧塔蒸发器（310）的冷凝侧入口连接；
所述压力氮塔（100）上部与所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）的冷凝侧入口连通，为所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）提供作为热源的压力氮气；所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）的冷凝侧出口分别连接所述压力氮塔（100）上部的回流口和经过所述第二换热器（600）连接至所述低压氮塔（200）顶部；所述压力氮塔（100）底部设富氧液空出口，所述富氧液空出口经管道穿过所述第二换热器（600）连接至所述低压氮塔（200）下部；
所述低压氮塔（200）底部与所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）的蒸发侧连通，为所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）提供作为冷源的低纯液氧；所述低压氮塔（200）的顶部与所述低压氮塔冷凝器（210）的冷凝侧入口连通，为所述低压氮塔冷凝器（210）提供作为热源的低压氮气；所述低压氮塔冷凝器（210）冷凝侧出口分别经管道连接至所述低压氮塔（200）上部的回流口和低压液氮产品出口（211）；所述低压氮塔（200）的顶部还设有低压氮出口，所述低压氮出口经管道依次穿过所述第二换热器（600）和第一换热器（500）后连接至氮气产品出口（201）；
所述低纯氧塔（300）的顶部设有低纯液氧入口和低纯氧气出口，所述低纯液氧入口经管道与所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）的蒸发侧排液口连接，所述低纯氧气出口经管道连接至所述低压氮塔（200）底部；所述低纯氧塔（300）的底部与所述低纯氧塔蒸发器（310）的蒸发侧连通，为所述低纯氧塔蒸发器（310）提供作为冷源的次低纯液氧；所述低纯氧塔蒸发器（310）的蒸发侧排液口经管道穿过所述第二换热器（600）连接至所述低压氮塔冷凝器（210）的蒸发侧入口，所述低压氮塔冷凝器（210）的蒸发侧出口经管道依次穿过所述第二换热器（600）和第一换热器（500）连接至低纯氧气出口（213）；
所述低纯氧塔蒸发器（310）的冷凝侧入口与所述纯化空气管道（700）连接，所述低纯氧塔蒸发器（310）的冷凝侧出口经管道穿过所述第二换热器（600）与所述低压氮塔（200）下部连接。
7.根据权利要求6所述的低能耗制取高纯氮的装置，其特征在于，所述压力氮塔（100）、压力氮塔主冷凝蒸发器（110）、低压氮塔（200）和低压氮塔冷凝器（210）由下向上依次连接设置；
所述低纯氧塔蒸发器（310）设置于所述低纯氧塔（300）的底部，所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）的蒸发侧排液口高于所述低纯氧塔（300）顶部的低纯液氧入口。
8.根据权利要求6所述的低能耗制取高纯氮的装置，其特征在于，所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）置于所述压力氮塔（100）上，为组合一；所述低压氮塔冷凝器（210）置于所述低压氮塔（200）上，为组合二；所述低纯氧塔蒸发器（310）置于所述低纯氧塔（300）下，为组合三；所述组合一、二和三并排平行布置。
9.根据权利要求8所述的低能耗制取高纯氮的装置，其特征在于，还包括低纯液氧提升泵（220），所述低纯液氧提升泵（220）连接所述低压氮塔（200）底部的低纯液氧出口和所述压力氮塔主冷凝蒸发器（110）的蒸发侧入口。
10.根据权利要求6至9任一项所述的低能耗制取高纯氮的装置，其特征在于，还包膨胀机（400）；
所述纯化空气管道（700）分为第一纯空管（710）、第二纯空管（720）和第三纯空管（730），所述第一纯空管（710）经过所述第一换热器（500）后连接至所述压力氮塔（100）底部；所述第二纯空管（720）经过所述第一换热器（500）后连接至所述低纯氧塔蒸发器（310）的冷凝侧入口；所述第三纯空管（730）依次经过所述膨胀机（400）的增压端、第一换热器（500）、膨胀机（400）的膨胀端和第一换热器（500）后连接至所述低压氮塔（200）下部；
或者，
所述纯化空气管道（700）分为第一纯空管（710）、第二纯空管（720）和第三纯空管（730），所述第一纯空管（710）经过所述第一换热器（500）后连接至所述压力氮塔（100）底部；所述第二纯空管（720）经过所述膨胀机（400）的增压端和所述第一换热器（500）后连接至所述低纯氧塔蒸发器（310）的冷凝侧入口；所述第三纯空管（730）依次经过所述第一换热器（500）、膨胀机（400）的膨胀端和第一换热器（500）后连接至所述低压氮塔（200）下部。
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