CN115096043A - 一种利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置及方法，所述装置包括三塔系统、氮压缩系统、双氮膨胀机制冷系统及换热系统，相互之间通过管道和阀门相连接；所述三塔系统由顶部带第一冷凝蒸发器的第一压力氮塔、顶部带第二冷凝蒸发器的第二压力氮塔和底部带第三冷凝蒸发器的纯氧塔组成；所述氮压缩系统由循环氮气压缩机组成；本发明方法为从第一压力氮塔的顶部获得第一压力的高纯氮气，从第二压力氮塔的顶部获得第二压力的高纯氮气和高纯液氮，从纯氧塔的底部获得超纯液氧，本装置及方法适用于制取大量带压高纯氮气和大量高纯液氮。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置及方法，低投入低能耗高效地生产满足国标要求的高纯氮和超纯液氧产品，属于低温技术领域。
背景技术
工业气体是整个工业的基础，在国民经济中有着重要的地位和作用，广泛用于冶金、石油、石化、化工、机械、电子、航空航天等诸多领域，在国防建设和医疗卫生领域也发挥着重要作用。尤其是随着信息技术的蓬勃发展，电子工业对高纯气体的需求越来越大。
在高精尖电子工业领域，精度越高对气体的纯度要求越高，超纯液氧气体是制造半导体集成电路的氧化气体，是该行业不可缺少的高纯气体之一；而高纯氮气则在集成电路、半导体和电真空器件制造中用作保护气和运载气，化学气相淀积时的载气，液体扩散源的携带气，在高温扩散炉中用做器件的保护气。高纯氮在外延、光刻、清洗和蒸发等工序中，作为置换、干燥、贮存和输送用气体。大宗气站中氮气量需求大，因此现场通常会配置仅产氮气产品的制氮机装置，而超纯液氧气则由于需求量小而采用低温氧贮槽超纯液氧气化方式使用，这种方式对市场上超纯液氧的依赖度高，能耗高、使用成本高。
而常用的空分设备虽然既能生产氧又能生产氮，但氮氧产量比一般不超过3。而常用的纯氮装置仅生产氮产品。因此，提供一种装置及方法低成本低能耗高效地制取高纯氮和超纯液氧，且高纯氮和超纯液氧产量比远远大于10，具有广阔的应用市场需求。
发明内容
针对上述技术背景，本发明的目的在于提供一种利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置及方法，通过低温精馏方法低成本、低能耗地制备超纯液氧和高纯氮产品，具有很好的实用价值和经济效益，获得的超纯液氧和高纯氮产品纯度可满足国标要求，甚至更高。为实现上述目的，本发明采用如下技术： 一种利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，该装置包括三塔系统、氮压缩系统、双氮膨胀机制冷系统及换热系统；相互之间通过管道和阀门连接，所述三塔系统由顶部带第一冷凝蒸发器的第一压力氮塔、顶部带第二冷凝蒸发器的第二压力氮塔和底部带第三冷凝蒸发器的纯氧塔组成；所述氮压缩系统由循环氮气压缩机组成；所述双氮膨胀机制冷系统由第一压力氮气增压膨胀机和第二压力氮气增压膨胀机以及其他辅助性部件组成，第一压力氮气增压膨胀机由第一压力氮气增压膨胀机增压端、第一压力氮气增压膨胀机后冷却器和第一压力氮气增压膨胀机膨胀端组成，第二压力氮气增压膨胀机由第二压力氮气增压膨胀机增压端、第二压力氮气增压膨胀机后冷却器和第二压力氮气增压膨胀机膨胀端组成；换热系统由主换热器、第一过冷器、第二过冷器和气液分离器组成。
作为优选：所述三塔系统的第一压力氮塔的底部第一入口通过第二阀门连接于主换热器的第一出口，所述第一压力氮塔的顶部第一出口连接于所述第一冷凝蒸发器的冷凝侧入口，所述第一压力氮塔的顶部第一出口连接于所述主换热器的第二入口，所述第一冷凝蒸发器的冷凝侧出口连接于所述第一压力氮塔的顶部第一入口，所述第一压力氮塔的底部第一出口连接于所述第二过冷器的第十入口，所述第二过冷器的第十出口通过第九阀门连接于所述第一冷凝蒸发器的蒸发侧的第一入口，所述第二过冷器的第十一出口通过第十阀门连接于第一冷凝蒸发器的蒸发侧的第二入口，所述第一冷凝蒸发器的蒸发侧的液相出口连接于第二压力氮塔的底部第一入口，其第一冷凝蒸发器的蒸发侧的气相出口连接于第二压力氮塔的底部第二入口，所述第二压力氮塔的顶部出口连接于所述第二冷凝蒸发器的冷凝侧入口，所述第二压力氮塔的顶部出口连接于所述主换热器的第三入口，所述第二冷凝蒸发器的冷凝侧出口连接于所述第二压力氮塔的顶部入口，所述第二冷凝蒸发器的冷凝侧出口通过第二十八阀门连接于高纯液氮产品管道。
作为优选：所述第二压力氮塔的中下部出口通过第十五阀门连接于所述纯氧塔的顶部入口，所述第二压力氮塔的底部出口连接于所述第一过冷器的第一入口，所述第一过冷器的第一出口通过第十四阀门连接于所述第二冷凝蒸发器的蒸发侧的入口，所述第二冷凝蒸发器的蒸发侧的气相出口连接于所述第一过冷器的第二入口，所述第二冷凝蒸发器的蒸发侧的液相出口通过第二十九阀门连接于安全排放通道。所述纯氧塔的顶部出口通过第十六阀门连接于所述第一过冷器的第二入口，所述第一过冷器的第二出口连接于所述第二过冷器的第十二入口，所述第二过冷器的第十二出口连接于所述主换热器的第四入口。所述第三冷凝蒸发器的冷凝侧入口通过第三阀门连接于所述主换热器的所述第一出口，所述第三冷凝蒸发器的冷凝侧出口连接于所述第二过冷器的第十一入口，所述纯氧塔的底部出口通过第十七阀门连接于超纯液氧产品管道。
作为优选：所述主换热器的第三出口、第五出口和第六出口还连接到循环氮气压缩机的入口，主换热器的第三出口连接于第二压力的高纯氮气出口管道，所述循环氮气压缩机的出口连接于所述主换热器的第七入口。
作为优选：所述循环氮气压缩机的出口连接于第一压力氮气增压膨胀机增压端的入口，第一压力氮气增压膨胀机增压端的出口连接于所述第一压力氮气增压膨胀机后冷却器的入口，所述第一压力氮气增压膨胀机后冷却器的出口连接于所述第二压力氮气增压膨胀机增压端的入口，所述第二压力氮气增压膨胀机增压端的出口连接于所述第二压力氮气增压膨胀机后冷却器的入口，所述第二压力氮气增压膨胀机后冷却器的出口连接于所述主换热器的第八入口，所述第一压力氮气增压膨胀机膨胀端的入口连接于所述主换热器的第七出口，其出口连接于所述主换热器的第六入口，所述第二压力氮气增压膨胀机膨胀端的入口连接于所述主换热器的第九出口，其出口连接于所述气液分离器的第一入口，所述第一压力氮气增压膨胀机增压端和所述第一压力氮气增压膨胀机膨胀端通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接；所述第二压力氮气增压膨胀机增压端和所述第二压力氮气增压膨胀机膨胀端通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接。
作为优选：所述主换热器的第一入口、第二入口、第三入口、第四入口、第五入口、第六入口、第七入口分别与所述主换热器的第一出口、第二出口、第三出口、第四出口、第五出口、第六出口、第七出口连通，所述主换热器的第八入口与所述主换热器的所述第八出口和第九出口连通，所述主换热器的所述第八出口通过第二十三阀门连接于气液分离器的第二入口，所述气液分离器的第一出口连接于所述主换热器的第五入口，所述气液分离器的第二出口通过第二十五阀门连接于高纯液氮产品管道，所述第一过冷器的第一入口、第二入口分别与所述第一过冷器的第一出口、第二出口连通，所述第一过冷器的第一入口、第二入口、第三入口分别与所述第一过冷器的第一出口、第二出口、第三出口连通。
作为优选：所述第一压力氮塔、所述第二压力氮塔和所述纯氧塔为规整填料塔，所述主换热器、第一过冷器、第二过冷器、第一冷凝蒸发器、第二冷凝蒸发器、第三冷凝蒸发器为板翅式换热器。
一种应用上述装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：经预冷和纯化的干燥干净的带压空气进入主换热器的第一入口换热冷却后从主换热器的第一出口出来，一部分带压空气经第二阀门进入第一压力氮塔的底部第一入口，其余部分带压空气经第三阀门进入第三冷凝蒸发器的冷凝侧入口，进入第一压力氮塔底部第一入口的带压空气经第一压力氮塔精馏后在第一压力氮塔顶部获得第一压力的高纯氮气；经主换热器的第二入口复热后出主换热器进入用户第一压力氮气管网；
步骤2：从第一压力氮塔顶部出来的部分第一压力高纯氮气经第一冷凝蒸发器的冷凝侧入口进入第一冷凝蒸发器冷凝后从第一冷凝蒸发器的冷凝侧出口进入第一压力氮塔的顶部第一入口作为第一压力氮塔的顶部回流液，在第一压力氮塔的底部抽取液体经第二过冷器的第十入口进入后过冷，经第二过冷器的第十出口和第九阀门节流后进入第一冷凝蒸发器的蒸发侧，进入第三冷凝蒸发器的冷凝侧入口的带压空气经冷凝后经第三冷凝蒸发器的冷凝侧出口进入第二过冷器的第十一入口，过冷后经第二过冷器的第十一出口和第十阀门节流后进入第一冷凝蒸发器的蒸发侧，进入第一冷凝蒸发器的蒸发侧的流体经部分蒸发后液体和气体分别通过第一冷凝蒸发器的蒸发侧的液相出口和气相出口和第二压力氮塔的底部第一入口和底部第二入口进入第二压力氮塔精馏。在第二压力氮塔顶部获得第二压力的高纯氮气，经主换热器的第三入口复热后出主换热器进入用户第二压力氮气管网。
作为优选：所述第二压力氮塔顶部出来的部分第二压力高纯氮气经第二冷凝蒸发器的冷凝侧入口进入冷凝后从第一冷凝蒸发器的冷凝侧出口进入第二压力氮塔的顶部第一入口作为第二压力氮塔的顶部回流液，第二冷凝蒸发器的安全排液通过第二冷凝蒸发器的蒸发侧的液相出口排出。高纯液氮产品通过第二冷凝蒸发器的冷凝侧出口通过第二十八阀门连接到高纯液氮产品管道。
作为优选：所述第二压力氮塔的底部抽取液体经第一过冷器的第一入口进入后过冷，经第一过冷器的第一出口和第十四阀门节流后进入第二冷凝蒸发器的蒸发侧作为冷源蒸发，蒸发后的废气经第二冷凝蒸发器的蒸发侧的气相出口进入第一过冷器的第二入口复热。在第二压力氮塔的中下部出口抽取液体通过第十五阀门进入纯氧塔的顶部入口参与精馏，纯氧塔的顶部余气经纯氧塔的顶部出口经第十六阀门后与从第二冷凝蒸发器的蒸发侧的气相出口出来的废气一起进入第一过冷器的第二入口复热，复热后的废气相继进入第二过冷器的第十二入口和主换热器的第四入口复热，复热后的常温废气经主换热器的第四出口流出。从纯氧塔的底部出口的超纯液氧通过第十七阀门进入超纯液氧产品管道。
作为优选：所述高纯液氮和超纯液氧所需大量冷量的制备方法包括：主换热器的第三入口复热后出主换热器的部分第二压力的高纯氮气与从主换热器的第五出口和第六出口出来的返流氮气一起进入循环氮气压缩机压缩，压缩后的氮气分成两路：一路氮气经主换热器的第七入口过冷后从主换热器的第七出口抽出，进入第一压力氮气增压膨胀机膨胀端膨胀，膨胀后又通过主换热器的第六入口复热；另一路氮气经第一压力氮气增压膨胀机增压端、第一压力氮气增压膨胀机后冷却器、第二压力氮气增压膨胀机增压端和第二压力氮气增压膨胀机后冷却器增压冷却后进入主换热器的第八入口冷却，并分别通过主换热器的第八出口和第九出口流出，经第八出口流出的流体经第二十三阀门节流后进入气液分离器，经第九出口流出的流体进入第二压力氮气增压膨胀机膨胀端膨胀，膨胀后的流体进入气液分离器，经气液分离器分离后的气体从气液分离器的第一出口进入主换热器的第五入口复热，分离后的液体从气液分离器的第二出口作为高纯液氮产品通过第二十五阀门进入高纯液氮产品管道。
本发明具有的有益效果如下：
本发明利用低温精馏法利用三塔耦合生产满足国标要求的高纯氮和超纯液氧产品，投入成本低、运行能耗低，产品提取率高，能很好地契合满足高精尖的电子、电池、芯片行业对高纯氮和超纯液氧的需求。
附图说明
图1是本发明所述装置和方法的结构示意图。
图2是本发明所述装置和方法的另一种变形实例示意图。
具体实施方式
为使本发明需解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
如图1所示，一种利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，该装置包括三塔系统、氮压缩系统、双氮膨胀机制冷系统及换热系统；相互之间通过管道和阀门连接，所述三塔系统由顶部带第一冷凝蒸发器05的第一压力氮塔04、顶部带第二冷凝蒸发器12的第二压力氮塔11和底部带第三冷凝蒸发器06的纯氧塔07组成；所述氮压缩系统由循环氮气压缩机18组成；所述双氮膨胀机制冷系统由第一压力氮气增压膨胀机和第二压力氮气增压膨胀机以及其他辅助性部件组成，第一压力氮气增压膨胀机由第一压力氮气增压膨胀机增压端19、第一压力氮气增压膨胀机后冷却器26和第一压力氮气增压膨胀机膨胀端20组成，第二压力氮气增压膨胀机由第二压力氮气增压膨胀机增压端21、第二压力氮气增压膨胀机后冷却器27和第二压力氮气增压膨胀机膨胀端22组成；换热系统由主换热器01、第一过冷器13、第二过冷器08和气液分离器24组成。
所述三塔系统的第一压力氮塔04的底部第一入口通过第二阀门02连接于主换热器01的第一出口1b，所述第一压力氮塔04的顶部第一出口连接于第一冷凝蒸发器05的冷凝侧入口，所述第一压力氮塔04的顶部第一出口连接于主换热器01的第二入口2a，所述第一冷凝蒸发器05的冷凝侧出口连接于第一压力氮塔04的顶部第一入口，所述第一压力氮塔04的底部第一出口连接于第二过冷器08的第十入口10a，所述第二过冷器08的第十出口10b通过第九阀门09连接于第一冷凝蒸发器05的蒸发侧的第一入口，所述第二过冷器08的第十一出口通过第十阀门10连接于第一冷凝蒸发器05的蒸发侧的第二入口，所述第一冷凝蒸发器05的蒸发侧的液相出口连接于第二压力氮塔11的底部第一入口，其第一冷凝蒸发器05的蒸发侧的气相出口连接于第二压力氮塔11的底部第二入口，所述第二压力氮塔11的顶部出口连接于第二冷凝蒸发器12的冷凝侧入口，所述第二压力氮塔11的顶部出口连接于所述主换热器01的第三入口3a，所述第二冷凝蒸发器12的冷凝侧出口连接于第二压力氮塔11的顶部入口，所述第二冷凝蒸发器12的冷凝侧出口通过第二十八阀门28连接于高纯液氮产品管道。
所述第二压力氮塔11的中下部出口通过第十五阀门15连接于所述纯氧塔07的顶部入口，所述第二压力氮塔11的底部出口连接于所述第一过冷器13的第一入口，所述第一过冷器13的第一出口通过第十四阀门14连接于所述第二冷凝蒸发器12的蒸发侧的入口，所述第二冷凝蒸发器12的蒸发侧的气相出口连接于所述第一过冷器13的第二入口，所述第二冷凝蒸发器12的蒸发侧的液相出口通过第二十九阀门29连接于安全排放通道，所述纯氧塔07的顶部出口通过第十六阀门16连接于所述第一过冷器13的第二入口，所述第一过冷器13的第二出口连接于所述第二过冷器08的第十二入口，所述第二过冷器08的第十二出口连接于所述主换热器01的第四入口，所述第三冷凝蒸发器06的冷凝侧入口通过第三阀门03连接于所述主换热器01的第一出口1b，所述第三冷凝蒸发器06的冷凝侧出口连接于所述第二过冷器08的第十一入口11a，所述纯氧塔的底部出口通过第十七阀门17连接于超纯液氧产品管道。
所述主换热器01的第三出口3b、第五出口5b和第六出口6b还连接到循环氮气压缩机18的入口，主换热器01的第三出口3b连接于第二压力的高纯氮气出口管道，所述循环氮气压缩机18的出口连接于所述主换热器01的第七入口7a。
所述循环氮气压缩机18的出口连接于第一压力氮气增压膨胀机增压端19的入口，第一压力氮气增压膨胀机增压端19的出口连接于所述第一压力氮气增压膨胀机后冷却器26的入口，所述第一压力氮气增压膨胀机后冷却器26的出口连接于所述第二压力氮气增压膨胀机增压端21的入口，所述第二压力氮气增压膨胀机增压端21的出口连接于所述第二压力氮气增压膨胀机后冷却器27的入口，所述第二压力氮气增压膨胀机后冷却器27的出口连接于所述主换热器01的第八入口8a，所述第一压力氮气增压膨胀机膨胀端20的入口连接于所述主换热器01的第七出口7b，其出口连接于所述主换热器01的第六入口6a，所述第二压力氮气增压膨胀机膨胀端22的入口连接于所述主换热器01的第九出口9b，其出口连接于所述气液分离器24的第一入口，所述第一压力氮气增压膨胀机增压端19和所述第一压力氮气增压膨胀机膨胀端20通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接；所述第二压力氮气增压膨胀机增压端21和所述第二压力氮气增压膨胀机膨胀端22通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接。
所述主换热器01的所述第一入口1a、第二入口2a、第三入口3a、第四入口4a、第五入口5a、第六入口6a、第七入口7a分别与主换热器01的第一出口1b、第二出口2b、第三出口3b、第四出口4b、第五出口5b、第六出口6b、第七出口7b连通，所述主换热器01的所述第八入口8a与主换热器01的第八出口8b和第九出口9b连通，所述主换热器01的第八出口8b通过第二十三阀门23连接于所述气液分离器24的第二入口，所述气液分离器24的第一出口连接于主换热器01的所述第五入口5a，所述气液分离器24的第二出口通过第二十五阀门25连接于高纯液氮产品管道，所述第一过冷器13的所述第一入口、第二入口分别与所述第一过冷器13的所述第一出口、第二出口连通，所述第二过冷器08的第十入口10a、第十一入口11a、第十二入口12a分别与第二过冷器08的第十出口10b、第十一出口11b、第十二出口12b连通。
所述第一压力氮塔04、所述第二压力氮塔11和所述纯氧塔07为规整填料塔，所述主换热器01、第一过冷器13、第二过冷器08、第一冷凝蒸发器05、第二冷凝蒸发器12、第三冷凝蒸发器06为板翅式换热器。
一种应用上述装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：经预冷和纯化的干燥干净的带压空气进入主换热器01的第一入口1a换热冷却后从主换热器01的第一出口1b出来，一部分带压空气经第二阀门02进入第一压力氮塔04的底部第一入口，其余部分带压空气经第三阀门03进入第三冷凝蒸发器06的冷凝侧入口，进入第一压力氮塔04底部第一入口的带压空气经第一压力氮塔04精馏后在第一压力氮塔04顶部获得第一压力的高纯氮气；经主换热器01的第二入口2a复热后出主换热器01进入用户第一压力氮气管网；
步骤2：从第一压力氮塔04顶部出来的部分第一压力高纯氮气经第一冷凝蒸发器05的冷凝侧入口进入第一冷凝蒸发器05冷凝后从第一冷凝蒸发器05的冷凝侧出口进入第一压力氮塔04的顶部第一入口作为第一压力氮塔04的顶部回流液，在第一压力氮塔04的底部抽取液体经第二过冷器08的第十入口10a进入后过冷，经第二过冷器08的第十出口10b和第九阀门09节流后进入第一冷凝蒸发器05的蒸发侧，进入第三冷凝蒸发器06的冷凝侧入口的带压空气经冷凝后经第三冷凝蒸发器06的冷凝侧出口进入第二过冷器08的第十一入口，过冷后经第二过冷器08的第十一出口和第十阀门10节流后进入第一冷凝蒸发器05的蒸发侧，进入第一冷凝蒸发器05的蒸发侧的流体经部分蒸发后液体和气体分别通过第一冷凝蒸发器05的蒸发侧的液相出口和气相出口和第二压力氮塔11的底部第一入口和底部第二入口进入第二压力氮塔11精馏，在第二压力氮塔11顶部获得第二压力的高纯氮气，经主换热器01的第三入口3a复热后出主换热器01进入用户第二压力氮气管网。
所述第二压力氮塔11顶部出来的部分第二压力高纯氮气经第二冷凝蒸发器12的冷凝侧入口进入冷凝后从第一冷凝蒸发器05的冷凝侧出口进入第二压力氮塔11的顶部第一入口作为第二压力氮塔11的顶部回流液，第二冷凝蒸发器12的安全排液通过第二冷凝蒸发器12的蒸发侧的液相出口排出，高纯液氮产品通过第二冷凝蒸发器12的冷凝侧出口通过第二十八阀门28连接到高纯液氮产品管道。
所述第二压力氮塔11的底部抽取液体经第一过冷器13的第一入口进入后过冷，经第一过冷器13的第一出口和第十四阀门14节流后进入第二冷凝蒸发器12的蒸发侧作为冷源蒸发，蒸发后的废气经第二冷凝蒸发器12的蒸发侧的气相出口进入第一过冷器13的第二入口复热，在第二压力氮塔11的中下部出口抽取液体通过第十五阀门15进入纯氧塔07的顶部入口参与精馏，纯氧塔07的顶部余气经纯氧塔07的顶部出口经第十六阀门16后与从第二冷凝蒸发器12的蒸发侧的气相出口出来的废气一起进入第一过冷器13的第二入口复热，复热后的废气相继进入第二过冷器08的第十二入口和主换热器01的第四入口复热，复热后的常温废气经主换热器01的第四出口4b流出，从纯氧塔07的底部出口的超纯液氧通过第十七阀门17进入超纯液氧产品管道。
所述高纯液氮和超纯液氧所需大量冷量的制备方法包括：主换热器01的第三入口3a复热后出主换热器01的部分第二压力的高纯氮气与从主换热器01的第五出口5b和第六出口6b出来的返流氮气一起进入循环氮气压缩机18压缩，压缩后的氮气分成两路：一路氮气经主换热器01的第七入口7a过冷后从主换热器01的第七出口7b抽出，进入第一压力氮气增压膨胀机膨胀端20膨胀，膨胀后又通过主换热器01的第六入口6a复热；另一路氮气经第一压力氮气增压膨胀机增压端19、第一压力氮气增压膨胀机后冷却器26、第二压力氮气增压膨胀机增压端21和第二压力氮气增压膨胀机后冷却器27增压冷却后进入主换热器01的第八入口8a冷却，并分别通过主换热器01的第八出口8b和第九出口9b流出，经第八出口8b流出的流体经第二十三阀门23节流后进入气液分离器24，经第九出口9b流出的流体进入第二压力氮气增压膨胀机膨胀端22膨胀，膨胀后的流体进入气液分离器24，经气液分离器24分离后的气体从气液分离器24的第一出口进入主换热器01的第五入口5a复热，分离后的液体从气液分离器24的第二出口作为高纯液氮产品通过第二十五阀门25进入高纯液氮产品管道。
具体实施例：
如图1所示：经预冷和纯化的干燥干净的温度约为20℃、压力约为0.8MPaA带压空气进入主换热器01的第一入口换热冷却，冷却到-169℃后从主换热器01的第一出口出来，一部分带压空气经阀门02进入第一压力氮塔04的底部精馏，其余部分带压空气经阀门03进入第三冷凝蒸发器06的冷凝侧作为热源。第一压力氮塔04经精馏后在其顶部获得压力约为0.75MPaA的第一压力的高纯氮气，经主换热器01的第二入口复热到约35℃后出主换热器01进入用户第一压力氮气管网。从第一压力氮塔04顶部出来的部分第一压力高纯氮气进入第一冷凝蒸发器05的冷凝侧作为热源，其被冷凝后又进入第一压力氮塔04的顶部作为回流液。在第一压力氮塔04的底部抽取氧含量约为36%的液空经第二过冷器08过冷到约-172℃后，经阀门09节流到约0.4MPaA后进入第一冷凝蒸发器05的蒸发侧作为冷源。进入第三冷凝蒸发器06的冷凝侧的带压空气经冷凝后进入第二过冷器08过冷到约-172℃后，经阀门10节流到约0.4MPaA后进入第一冷凝蒸发器05的蒸发侧作为冷源。第一冷凝蒸发器05蒸发侧的流体经加热蒸发后的液体和气体分别进入第二压力氮塔11的底部进行精馏，在第二压力氮塔11顶部获得压力约为0.4MPaA的第二压力的高纯氮气，并经主换热器01复热到约35℃后从主换热器01第三出口出来进入用户第二压力氮气管网。从第二压力氮塔11顶部出来的部分第二压力高纯氮气进入第二冷凝蒸发器12的冷凝侧作为热源，其被冷凝后一部分高纯液氮通过阀门28进入到高纯液氮产品管道，其余高纯液氮又进入第二压力氮塔11的顶部作为回流液。在第二压力氮塔11的底部抽取含氧量约为60%的液体经第一过冷器13过冷到约-180℃，经阀门14节流到约0.13MPaA后进入第二冷凝蒸发器12的蒸发侧作为冷源被蒸发，蒸发后的废气进入第一过冷器13复热，末蒸发的液体作为安全排液排放。在第二压力氮塔11的中下部抽取含氧量约为56%、压力约为0.4MPaA的液体通过阀门15进入纯氧塔07的顶部参与精馏，从纯氧塔07的底部抽取满足国标的超纯液氧通过阀门17进入超纯液氧产品管道。纯氧塔07的顶部余气经阀门16节流到约0.13MPaA后与从第二冷凝蒸发器12的蒸发侧出来的废气一起进入第一过冷器13复热，复热后的废气又相继进入第二过冷器08和主换热器01复热，复热到约35℃后的常温废气出主换热器01流出。
复热到约35℃出主换热器01的部分第二压力的高纯氮气与从主换热器01的第五出口和第六出口复热到35℃出来的返流氮气一起进入循环氮气压缩机18压缩到约3MPaA，压缩后的氮气分成两路：一路氮气经主换热器01过冷到约-17℃后从主换热器01的第七出口抽出，进入第一压力氮气增压膨胀机膨胀端20膨胀，膨胀到约0.4MPaA后又进入主换热器01复热到约35℃出主换热器01；
另一路氮气经第一压力氮气增压膨胀机增压端19、第一压力氮气增压膨胀机后冷却器26、第二压力氮气增压膨胀机增压端21和第二压力氮气增压膨胀机后冷却器27增压冷却到约6MPaA和约40℃后进入主换热器01的第八入口冷却，并分别通过主换热器01的第八出口和第九出口流出，经第八出口流出的温度约为-173℃流体经阀门23节流到约0.4MPaA后进入气液分离器24，经第九出口流出的温度约为-100℃流体进入第二压力氮气增压膨胀机膨胀端22膨胀，膨胀到约0.4MPaA后的流体进入气液分离器24。经气液分离器24分离后的气体从气液分离器24的第一出口进入主换热器01的第五入口复热到约35℃出主换热器01，分离后的液体从气液分离器24的第二出口作为高纯液氮产品经阀门25进入高纯液氮产品管道。
第一压力氮气增压膨胀机膨胀端20膨胀作的功通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接驱动第一压力氮气增压膨胀机增压端19增压。第二压力氮气增压膨胀机膨胀端22膨胀作的功通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接驱动第二压力氮气增压膨胀机增压端21增压。
第一压力氮塔04、第二压力氮塔11和纯氧塔07优选为规整填料塔。
主换热器01、第一过冷器13、第二过冷器08、第一冷凝蒸发器05、第二冷凝蒸发器12、第三冷凝蒸发器06优选为板翅式换热器。
图2是本发明所述装置和方法的另一种变形实例示意图。与附图1的不同点是第一压力氮气增压膨胀机膨胀端20膨胀作的功通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接驱动第一压力氮气增压膨胀机增压端21增压。第二压力氮气增压膨胀机膨胀端22膨胀作的功通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接驱动第二压力氮气增压膨胀机增压端19增压。
Claims (11)
1.一种利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，该装置包括三塔系统、氮压缩系统、双氮膨胀机制冷系统及换热系统；相互之间通过管道和阀门连接，其特征在于：所述三塔系统由顶部带第一冷凝蒸发器（05）的第一压力氮塔（04）、顶部带第二冷凝蒸发器（12）的第二压力氮塔（11）和底部带第三冷凝蒸发器（06）的纯氧塔（07）组成；所述氮压缩系统由循环氮气压缩机（18）组成；所述双氮膨胀机制冷系统由第一压力氮气增压膨胀机和第二压力氮气增压膨胀机以及其他辅助性部件组成，第一压力氮气增压膨胀机由第一压力氮气增压膨胀机增压端（19）、第一压力氮气增压膨胀机后冷却器（26）和第一压力氮气增压膨胀机膨胀端（20）组成，第二压力氮气增压膨胀机由第二压力氮气增压膨胀机增压端（21）、第二压力氮气增压膨胀机后冷却器（27）和第二压力氮气增压膨胀机膨胀端（22）组成；换热系统由主换热器（01）、第一过冷器（13）、第二过冷器（08）和气液分离器（24）组成。
2.根据权利要求1所述的利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，其特征在于：所述三塔系统的第一压力氮塔（04）的底部第一入口通过第二阀门（02）连接于主换热器（01）的第一出口（1b），所述第一压力氮塔（04）的顶部第一出口连接于第一冷凝蒸发器（05）的冷凝侧入口，所述第一压力氮塔（04）的顶部第一出口连接于主换热器（01）的第二入口（2a），所述第一冷凝蒸发器（05）的冷凝侧出口连接于第一压力氮塔（04）的顶部第一入口，所述第一压力氮塔（04）的底部第一出口连接于第二过冷器（08）的第十入口（10a），所述第二过冷器（08）的第十出口（10b）通过第九阀门（09）连接于第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧的第一入口，所述第二过冷器（08）的第十一出口（11b）通过第十阀门（10）连接于第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧的第二入口，所述第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧的液相出口连接于第二压力氮塔（11）的底部第一入口，其第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧的气相出口连接于第二压力氮塔（11）的底部第二入口，所述第二压力氮塔（11）的顶部出口连接于第二冷凝蒸发器（12）的冷凝侧入口，所述第二压力氮塔（11）的顶部出口连接于所述主换热器（01）的第三入口（3a），所述第二冷凝蒸发器（12）的冷凝侧出口连接于第二压力氮塔（11）的顶部入口，所述第二冷凝蒸发器（12）的冷凝侧出口通过第二十八阀门（28）连接于高纯液氮产品管道。
3.根据权利要求2所述的利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，其特征在于：所述第二压力氮塔（11）的中下部出口通过第十五阀门（15）连接于所述纯氧塔（07）的顶部入口，所述第二压力氮塔（11）的底部出口连接于所述第一过冷器（13）的第一入口，所述第一过冷器（13）的第一出口通过第十四阀门（14）连接于所述第二冷凝蒸发器（12）的蒸发侧的入口，所述第二冷凝蒸发器（12）的蒸发侧的气相出口连接于所述第一过冷器（13）的第二入口，所述第二冷凝蒸发器（12）的蒸发侧的液相出口通过第二十九阀门（29）连接于安全排放通道，所述纯氧塔（07）的顶部出口通过第十六阀门（16）连接于所述第一过冷器（13）的第二入口，所述第一过冷器（13）的第二出口连接于所述第二过冷器（08）的第十二入口（12a），所述第二过冷器（08）的第十二出口（12b）连接于主换热器（01）的第四入口（4a），所述第三冷凝蒸发器（06）的冷凝侧入口通过第三阀门（03）连接于主换热器（01）的第一出口（1b），所述第三冷凝蒸发器（06）的冷凝侧出口连接于所述第二过冷器（08）的第十一入口（11a），所述纯氧塔的底部出口通过第十七阀门（17）连接于超纯液氧产品管道。
4.根据权利要求3所述的利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，其特征在于：所述主换热器（01）的第三出口（3b）、第五出口（5b）和第六出口（6b）还连接到循环氮气压缩机（18）的入口，主换热器（01）的第三出口（3b）连接于第二压力的高纯氮气出口管道，所述循环氮气压缩机（18）的出口连接于所述主换热器（01）的第七入口（7a）。
5.根据权利要求4所述的利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，其特征在于：所述循环氮气压缩机（18）的出口连接于第一压力氮气增压膨胀机增压端（19）的入口，第一压力氮气增压膨胀机增压端（19）的出口连接于所述第一压力氮气增压膨胀机后冷却器（26）的入口，所述第一压力氮气增压膨胀机后冷却器（26）的出口连接于所述第二压力氮气增压膨胀机增压端（21）的入口，所述第二压力氮气增压膨胀机增压端（21）的出口连接于所述第二压力氮气增压膨胀机后冷却器（27）的入口，所述第二压力氮气增压膨胀机后冷却器（27）的出口连接于所述主换热器（01）的第八入口（8a），所述第一压力氮气增压膨胀机膨胀端（20）的入口连接于所述主换热器（01）的第七出口（7b），其出口连接于所述主换热器（01）的第六入口（6a），所述第二压力氮气增压膨胀机膨胀端（22）的入口连接于所述主换热器（01）的第九出口（9b），其出口连接于所述气液分离器（24）的第一入口，所述第一压力氮气增压膨胀机增压端（19）和所述第一压力氮气增压膨胀机膨胀端（20）通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接；所述第二压力氮气增压膨胀机增压端（21）和所述第二压力氮气增压膨胀机膨胀端（22）通过单轴直接连接或通过齿轮箱间接连接。
6.根据权利要求5所述的利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，其特征在于：所述主换热器（01）的所述第一入口（1a）、第二入口（2a）、第三入口（3a）、第四入口（4a）、第五入口（5a）、第六入口（6a）、第七入口（7a）分别与主换热器（01）的第一出口（1b）、第二出口（2b）、第三出口（3b）、第四出口（4b）、第五出口（5b）、第六出口（6b）、第七出口（7b）连通，所述主换热器（01）的所述第八入口（8a）与主换热器（01）的第八出口（8b）和第九出口（9b）连通，所述主换热器（01）的第八出口（8b）通过第二十三阀门（23）连接于所述气液分离器（24）的第二入口，所述气液分离器（24）的第一出口连接于主换热器（01）的第五入口（5a），所述气液分离器（24）的第二出口通过第二十五阀门（25）连接于高纯液氮产品管道，所述第一过冷器（13）的所述第一入口、第二入口分别与所述第一过冷器（13）的所述第一出口、第二出口连通，所述第二过冷器（08）的第十入口（10a）、第十一入口（11a）、第十二入口（12a）分别与第二过冷器（08）的第十出口（10b）、第十一出口（11b）、第十二出口（12b）连通。
7.根据权利要求1所述的利用三塔耦合制取高纯氮和超纯液氧的装置，其特征在于：所述第一压力氮塔（04）、所述第二压力氮塔（11）和所述纯氧塔（07）为规整填料塔，所述主换热器（01）、第一过冷器（13）、第二过冷器（08）、第一冷凝蒸发器（05）、第二冷凝蒸发器（12）、第三冷凝蒸发器（06）为板翅式换热器。
8.一种应用权利要求1-7任一一项所述装置的使用方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：经预冷和纯化的干燥干净的带压空气进入主换热器（01）的第一入口（1a）换热冷却后从主换热器（01）的第一出口（1b）出来，一部分带压空气经第二阀门（02）进入第一压力氮塔（04）的底部第一入口，其余部分带压空气经第三阀门（03）进入第三冷凝蒸发器（06）的冷凝侧入口，进入第一压力氮塔（04）底部第一入口的带压空气经第一压力氮塔（04）精馏后在第一压力氮塔（04）顶部获得第一压力的高纯氮气；经主换热器（01）的第二入口（2a）复热后出主换热器（01）进入用户第一压力氮气管网；
步骤2：从第一压力氮塔（04）顶部出来的部分第一压力高纯氮气经第一冷凝蒸发器（05）的冷凝侧入口进入第一冷凝蒸发器（05）冷凝后从第一冷凝蒸发器（05）的冷凝侧出口进入第一压力氮塔（04）的顶部第一入口作为第一压力氮塔（04）的顶部回流液，在第一压力氮塔（04）的底部抽取液体经第二过冷器（08）的第十入口（10a）进入后过冷，经第二过冷器（08）的第十出口（10b）和第九阀门（09）节流后进入第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧，进入第三冷凝蒸发器（06）的冷凝侧入口的带压空气经冷凝后经第三冷凝蒸发器（06）的冷凝侧出口进入第二过冷器（08）的第十一入口，过冷后经第二过冷器（08）的第十一出口和第十阀门（10）节流后进入第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧，进入第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧的流体经部分蒸发后液体和气体分别通过第一冷凝蒸发器（05）的蒸发侧的液相出口和气相出口和第二压力氮塔（11）的底部第一入口和底部第二入口进入第二压力氮塔（11）精馏，在第二压力氮塔（11）顶部获得第二压力的高纯氮气，经主换热器（01）的第三入口（3a）复热后出主换热器（01）进入用户第二压力氮气管网。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述第二压力氮塔（11）顶部出来的部分第二压力高纯氮气经第二冷凝蒸发器（12）的冷凝侧入口进入冷凝后从第一冷凝蒸发器（05）的冷凝侧出口进入第二压力氮塔（11）的顶部第一入口作为第二压力氮塔（11）的顶部回流液，第二冷凝蒸发器（12）的安全排液通过第二冷凝蒸发器（12）的蒸发侧的液相出口排出，高纯液氮产品通过第二冷凝蒸发器（12）的冷凝侧出口通过第二十八阀门（28）连接到高纯液氮产品管道。
10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述第二压力氮塔（11）的底部抽取液体经第一过冷器（13）的第一入口进入后过冷，经第一过冷器（13）的第一出口和第十四阀门（14）节流后进入第二冷凝蒸发器（12）的蒸发侧作为冷源蒸发，蒸发后的废气经第二冷凝蒸发器（12）的蒸发侧的气相出口进入第一过冷器（13）的第二入口复热，在第二压力氮塔（11）的中下部出口抽取液体通过第十五阀门（15）进入纯氧塔（07）的顶部入口参与精馏，纯氧塔（07）的顶部余气经纯氧塔（07）的顶部出口经第十六阀门（16）后与从第二冷凝蒸发器（12）的蒸发侧的气相出口出来的废气一起进入第一过冷器（13）的第二入口复热，复热后的废气相继进入第二过冷器（08）的第十二入口和主换热器（01）的第四入口复热，复热后的常温废气经主换热器（01）的第四出口（4b）流出，从纯氧塔（07）的底部出口的超纯液氧通过第十七阀门（17）进入超纯液氧产品管道。
11.根据权利要求9或10所述的使用方法，其特征在于：所述高纯液氮或超纯液氧生产所需大量冷量的制备方法包括：主换热器（01）的第三入口（3a）复热后出主换热器（01）的部分第二压力的高纯氮气与从主换热器（01）的第五出口（5b）和第六出口（6b）出来的返流氮气一起进入循环氮气压缩机（18）压缩，压缩后的氮气分成两路：一路氮气经主换热器（01）的第七入口（7a）过冷后从主换热器（01）的第七出口（7b）抽出，进入第一压力氮气增压膨胀机膨胀端（20）膨胀，膨胀后又通过主换热器（01）的第六入口（6a）复热；另一路氮气经第一压力氮气增压膨胀机增压端（19）、第一压力氮气增压膨胀机后冷却器（26）、第二压力氮气增压膨胀机增压端（21）和第二压力氮气增压膨胀机后冷却器（27）增压冷却后进入主换热器（01）的第八入口（8a）冷却，并分别通过主换热器（01）的第八出口（8b）和第九出口（9b）流出，经第八出口（8b）流出的流体经第二十三阀门（23）节流后进入气液分离器（24），经第九出口（9b）流出的流体进入第二压力氮气增压膨胀机膨胀端（22）膨胀，膨胀后的流体进入气液分离器（24），经气液分离器（24）分离后的气体从气液分离器（24）的第一出口进入主换热器（01）的第五入口（5a）复热，分离后的液体从气液分离器（24）的第二出口作为高纯液氮产品通过第二十五阀门（25）进入高纯液氮产品管道。
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