CN203758169U - 带制冷循环的低能耗制氮装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带制冷循环的低能耗制氮装置，采用制冷循环用增压透平膨胀机为换热器和两级精馏塔提供冷量；一级精馏塔顶部的氮气一部分直接进行使用，一部分通入冷凝蒸发器中进一步冷却液化；冷凝蒸发器得到的液氮一部分送回一级精馏塔进一步精馏，一部分送到二级精馏塔；二级精馏塔顶部引出的液氮经过液氮过冷器处理之后分成两路，一路作为液氮产品直接排出，一路经过换热器加热后排出；二级精馏塔顶部的氮气部分通入辅助氮冷凝器冷却液化并返回到二级精馏塔参与精馏，另一部分复热后作为较低压力的产品氮气，可继续通过氮压机增压。本实用新型可从两级精馏塔抽取两股压力不同的氮气出来使用，还通过辅助冷凝器得到液氮，节能效果显著。

Description

带制冷循环的低能耗制氮装置

技术领域

本实用新型涉及一种带制冷循环的制氮装置，尤其是一种较大液氮产量且且大幅度降低能耗的制氮装置。

背景技术

随着新兴光电产业和特殊石化行业等的飞速发展,对氮气产品的需求量越来越大,液氮的储备和需求也越来越受到重视。一般用户希望液体产量变化很大，即一旦贮存系统满或销售不好时希望低液体量生产。液氮生产的能耗较高，制取氮气的空分设备是耗能大户，由于设备长期运行，如何能有效降低能耗至关重要。目前一般的制氮装置液氮产量的调节受很大限制，工况调整较为困难，单精馏塔流程，液体量减少时能耗较高，且能耗较高；双精馏塔流程提取率高，但增压透平膨胀机的膨胀比小，液体产量受限制，液体量增大时，膨胀量大，较大幅度改变膨胀量，对塔的工况变化较大，操作相对困难，最大液体产量也不大，不能满足用户的需求，对于液体产量大的制氮装置显得不再适用。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种带制冷循环的制氮装置，以满足背景技术部分提到的需求，能耗也相对得到降低，并且显著提高了液氮产量，利用高温高焓降，膨胀比大的特点降低了液氮的能耗。

本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种带制冷循环的低能耗制氮装置，包括制冷循环增压透平膨胀机、换热器、液空液氮过冷器、液氮过冷器、冷凝蒸发器、辅助氮冷凝器、一级精馏塔、二级精馏塔；

所述制冷循环增压透平膨胀机增压端与膨胀端之间通过轴连接，增压端入口与洁净干燥空气输送管道连接，增压端出口的管道经过换热器之后连接到膨胀端入口，膨胀端出口的管道经过换热器之后再连回洁净干燥空气输送管道；

所述一级精馏塔底端的液空入口与洁净干燥空气输送管道经过换热器后的部分连接，一级精馏塔底端的液空出口管道经过液空液氮过冷器之后通入二级精馏塔，一级精馏塔顶端的氮气出口管道有两根，一根经过换热器之后直接排出氮气供用户使用，另一根通入冷凝蒸发器中对氮气进一步冷却液化；

所述冷凝蒸发器底部侧出口管道分成两路，一路将液氮送回一级精馏塔顶部，另一路经过液空液氮过冷器之后通入二级精馏塔顶部，冷凝蒸发器的富氧液空出口管道通入辅助氮冷凝器蒸发侧入口；

所述二级精馏塔顶部液氮出口管道与液氮过冷器热端入口连接，冷端出口管路分成两路，一路与冷端入口连接，另一端直接排出，热端出口管路经过液空液氮过冷器、换热器后排出；

所述二级精馏塔顶部氮气出口管路分成两路，一路通入辅助氮冷凝器蒸发侧入口，另一路依次经过液空液氮过冷器、换热器之后排出；

所述辅助氮冷凝器蒸发侧富氧空气出口管道依次经过液空液氮过冷器、换热器之后与二级精馏塔的氮气出口管路经过换热器的支路会合再排出，底部的液空出口直接排出。

对上述方案进行优选，还包括辅助增压透平膨胀机，所述辅助增压透平膨胀机的增压端与膨胀端之间通过轴连接，增压端入口与洁净干燥空气输送管道连接，增压端出口的管道经过换热器之后连接到膨胀端入口，膨胀端出口的管道与二级精馏塔连接。

对上述方案进行进一步优选，所述液氮过冷器冷端出口管路分成的两路上均设置有节流阀。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：1、利用增压透平膨胀机循环制冷，原料空气压力高，膨胀前温度高，膨胀比大，制冷量大，所需膨胀气量小，液氮生产能耗低，为生产较多液体的工况提供保障；液体产量主要通过制冷循环调节，对精馏系统影响小，易于操作，保证产品质量。

2、直接从一级精馏塔抽取一定量的压力氮气可供用户使用，再从二级精馏塔顶部抽出的低压氮气中取出部分送入氮气压缩机压缩后再使用；并可根据液体需求情况，调节两股氮气抽出比例，进一步优化降低能耗。

3、具有流程组织优化、设备投入成本低、液体产量大、能耗降低显著的特点。

4、可根据需要配合使用辅助增压透平膨胀机，将空气膨胀后送入二级精馏塔，充分发挥二级精馏塔的潜能，提高提取率；如不需要大液氮工况时，可停运制冷循环膨胀机，降低能耗。

5、通过辅助冷凝器得到液氮，使二级冷凝器回流比增加，提高了提取率，本实用新型装置通过制冷循环膨胀压力高，利用高温高焓降，膨胀比大高焓降的特点获得较多的液氮产品，大大降低了液氮产品的能耗。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的原理示意图。

图2是本实用新型实施例2的原理示意图。

图中标记：ET401为制冷循环增压透平膨胀机、ET402为辅助增压透平膨胀机、C1为一级精馏塔、C2为二级精馏塔、K1为冷凝蒸发器、E1为换热器 、E2为液空液氮过冷器、E3为液氮过冷器、K2为辅助氮冷凝器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

实施例1：

如图1所示，一种带制冷循环的低能耗制氮装置，包括制冷循环增压透平膨胀机ET401、换热器E1、液空液氮过冷器E2、液氮过冷器E3、冷凝蒸发器K1、辅助氮冷凝器K2、一级精馏塔C1、二级精馏塔C2。

所述制冷循环增压透平膨胀机ET401增压端与膨胀端之间通过轴连接，增压端入口与洁净干燥空气输送管道连接，增压端出口的管道经过换热器E1之后连接到膨胀端入口，膨胀端出口的管道经过换热器E1之后再连回洁净干燥空气输送管道。

所述一级精馏塔C1底端的液空入口与洁净干燥空气输送管道经过换热器E1后的部分连接，一级精馏塔C1底端的液空出口管道经过液空液氮过冷器E2之后通入二级精馏塔C2，一级精馏塔C1顶端的氮气出口管道有两根，一根经过换热器E1之后直接排出，另一根通入冷凝蒸发器K1。

所述冷凝蒸发器K1底部侧出口管道分成两路，一路送回一级精馏塔C1顶部，另一路经过液空液氮过冷器E2之后通入二级精馏塔C2顶部，冷凝蒸发器K1的富氧液空出口管道通入辅助氮冷凝器K2蒸发侧入口。

所述二级精馏塔C2顶部液氮出口管道与液氮过冷器E3热端入口连接，冷端出口管路分成两路，一路与冷端入口连接，另一端直接排出，热端出口管路经过液空液氮过冷器E2、换热器E1后排出。

所述二级精馏塔C2顶部氮气出口管路分成两路，一路通入辅助氮冷凝器K2蒸发侧入口，另一路依次经过液空液氮过冷器E2、换热器E1之后排出。

所述辅助氮冷凝器K2蒸发侧富氧空气出口管道依次经过液空液氮过冷器E2、换热器E1之后排出，底部的液空出口直接排出。

其中，制冷循环增压透平膨胀机ET401的膨胀端、换热器E1、液空液氮过冷器E2、液氮过冷器E3、冷凝蒸发器K1、辅助氮冷凝器K2、一级精馏塔C1、二级精馏塔C2共同设置在一个冷箱内。

本实施例的工作原理：1、通过洁净干燥空气输送管道将一部分经空压机压缩并净化的空气引入制冷循环增压透平膨胀机ET401的增压端进行增压，待冷却至常温后，再引入换热器E1冷端，被各种返流气体冷却到一定温度，然后送入制冷循环增压透平膨胀机ET401的膨胀端进行膨胀，经过膨胀的空气进入换热器E1热端，被热空气复热后送出冷箱，返回到空压机入口，重复增压膨胀的过程。换热器E1、一级精馏塔C1和二级精馏塔C2的冷量由透平膨胀机ET401提供。

2、通过洁净干燥空气输送管道将一部分经空压机压缩并净化的空气引入引入换热器E1，被各种返流气体冷却到接近液化温度，然后送入一级精馏塔C1。

3、在一级精馏塔C1内，从下而上的气体在塔板或填料上与自上而下的液体进行传热传质；经过精馏洗涤，塔内液空所含的重组分如O₂等很容易被洗下，越往上，塔板中液空的重组分越少。一级精馏塔C1顶部引出部分氮气经过换热器E1复热至常温后然后送出冷箱供用户使用。一级精馏塔C1顶部再引出部分氮气送入冷凝蒸发器K1的冷凝侧入口，氮气被冷凝成液氮从冷凝侧出口出来，一部分液氮回流至一级精馏塔C1参与精馏，一部分液氮经液空液氮过冷器E2冷却后送入二级精馏塔C2参与精馏。一级精馏塔C1底部的液化空气经液空液氮过冷器E2冷却后送入二级精馏塔C2参与精馏。

4、在二级精馏塔C2内从下而上的气体在填料上与自上而下的液体进行传热传质，经过精馏洗涤，塔内重组分被洗下，越往上重组分越少。二级精馏塔C2顶部引出的氮气一部分在经过液空液氮过冷器E2初步复热后，再经过换热器E1复热然后送出冷箱去氮压缩机进行压缩，然后供用户使用；另一部分氮气引入辅助氮冷凝器K2被冷凝成液氮，再被送入二级精馏塔C2参与精馏。二级精馏塔C2顶部引出的液氮送入液氮过冷器E3，被过冷后的液氮一部作为产品被排出冷箱；另一部分经节流后返流到液氮过冷器E3，被复热成氮气后与从辅助氮冷凝器K2引出的富氧空气混合，然后送至换热器E1被复热至常温后排出冷箱。

5、在冷凝蒸发器K1底部引出的富氧液空送入辅助氮冷凝器K2，在辅助氮冷凝器K2中被蒸发并引出的富氧空气，经液空液氮过冷器E2初步复热后，再进入换热器E1中被复热至常温后出冷箱。

实施例2：

如图2所示，一种带制冷循环的低能耗制氮装置，包括制冷循环增压透平膨胀机ET401、换热器E1、液空液氮过冷器E2、液氮过冷器E3、冷凝蒸发器K1、辅助氮冷凝器K2、一级精馏塔C1、二级精馏塔C2、辅助增压透平膨胀机ET402。

所述制冷循环增压透平膨胀机ET401增压端与膨胀端之间通过轴连接，增压端入口与洁净干燥空气输送管道连接，增压端出口的管道经过换热器E1之后连接到膨胀端入口，膨胀端出口的管道经过换热器E1之后再连回洁净干燥空气输送管道。

所述一级精馏塔C1底端的液空入口与洁净干燥空气输送管道经过换热器E1后的部分连接，一级精馏塔C1底端的液空出口管道经过液空液氮过冷器E2之后通入二级精馏塔C2，一级精馏塔C1顶端的氮气出口管道有两根，一根经过换热器E1之后直接排出，另一根通入冷凝蒸发器K1。

所述冷凝蒸发器K1底部侧出口管道分成两路，一路送回一级精馏塔C1顶部，另一路经过液空液氮过冷器E2之后通入二级精馏塔C2顶部，冷凝蒸发器K1的富氧液空出口管道通入辅助氮冷凝器K2蒸发侧入口。

所述二级精馏塔C2顶部液氮出口管道与液氮过冷器E3热端入口连接，冷端出口管路分成两路，一路与冷端入口连接，另一端直接排出，热端出口管路经过换热器E1后排出。

所述二级精馏塔C2顶部氮气出口管路分成两路，一路通入辅助氮冷凝器K2蒸发侧入口，另一路依次经过液空液氮过冷器E2、换热器E1之后排出。

所述辅助氮冷凝器K2蒸发侧富氧液空出口管道依次经过液空液氮过冷器E2、换热器E1之后再排出，底部的液空出口直接排出。

所述辅助增压透平膨胀机ET402的增压端与膨胀端之间通过轴连接，增压端入口与洁净干燥空气输送管道连接，增压端出口的管道经过换热器E1之后连接到膨胀端入口，膨胀端出口的管道与二级精馏塔C2连接。

本实施例的工作原理与实施例1的工作原理大致相同。区别之处在于，本实施例还引入了辅助增压透平膨胀机ET402。在本实施例中，通过制冷循环增压透平膨胀机ET401和辅助增压透平膨胀机ET402共同为换热器E1、一级精馏塔C1、二级精馏塔C2提供冷量。两个增压透平膨胀机配合使用，当液体产量大时正常运行制冷循环增压透平膨胀机ET401，也可通过同时运行辅助增压透平膨胀机ET402，降低制冷循环增压透平膨胀机ET401的负荷来实现；所需液体量进一步减少时（如贮槽将满时），可采取停运制冷循环增压透平膨胀机ET401；本实用新型的液体量可在很大范围内调节，制取液体的能耗很高，而本实用新型主要通过调整总原料空气的量来实现，而高氮装置中原料空气压力较高，具有较大的能量，而普通制氮装置，氮气的能耗占很大比例，因此原料空气的能量很难直接转换为液氮，为生产多余液氮会存在氮气的放空，从而导致系统能量的损失；而本实用新型装置避免了常规制氮装置的缺点，从而有效降低了能耗，解决了高氮空分设备液氮产量过多或过少的问题，其次还可通过调整制冷循环量，而大幅度调整氮气的产量。往往化工装置中备用仪表气压缩机，可利用仪表气并网作为原料空气的补充，从而使装置的液体产量、气体产量调节范围达到很宽的目的，满足化工装置对产品需求变化宽的要求。本实施简单、效果、能耗低，具有经济效益最大化、增加投资最小化的特点，意义重大，值得推广。

实施例3：

对上述两个实施例的结构分别进行进一步改进，主要区别在于，所述液氮过冷器E3冷端出口管路分成的两路上均设置有节流阀。液氮量较大时，一般配置常压粉末堆积贮槽，节流后汽化量很大，节流后的氮气放散掉损失冷量，冷箱内节流过冷，可回收冷量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带制冷循环的低能耗制氮装置，其特征在于：包括制冷循环增压透平膨胀机（ET401）、换热器（E1）、液空液氮过冷器（E2）、液氮过冷器（E3）、冷凝蒸发器（K1）、辅助氮冷凝器（K2）、一级精馏塔（C1）、二级精馏塔（C2）；

所述制冷循环增压透平膨胀机（ET401）增压端与膨胀端之间通过轴连接，增压端入口与洁净干燥空气输送管道连接，增压端出口的管道经过换热器（E1）之后连接到膨胀端入口，膨胀端出口的管道经过换热器（E1）之后再连回洁净干燥空气输送管道；

所述一级精馏塔（C1）底端的液空入口与洁净干燥空气输送管道通过换热器（E1）连接，一级精馏塔（C1）底端的液空出口管道经过液空液氮过冷器（E2）之后通入二级精馏塔（C2），一级精馏塔（C1）顶端的氮气出口管道有两根，一根经过换热器（E1）之后直接排出，另一根通入冷凝蒸发器（K1）；

所述冷凝蒸发器（K1）底部侧出口管道分成两路，一路送回一级精馏塔（C1）顶部，另一路经过液空液氮过冷器（E2）之后通入二级精馏塔（C2）顶部，冷凝蒸发器（K1）的富氧液空出口管道通入辅助氮冷凝器（K2）蒸发侧入口；

所述二级精馏塔（C2）顶部液氮出口管道与液氮过冷器（E3）热端入口连接，冷端出口管路分成两路，一路与冷端入口连接，另一端直接排出，热端出口管路经过液空液氮过冷器（E2）、换热器（E1）后排出；

所述二级精馏塔（C2）顶部氮气出口管路分成两路，一路通入辅助氮冷凝器（K2）蒸发侧入口，另一路依次经过液空液氮过冷器（E2）、换热器（E1）之后排出；

所述辅助氮冷凝器（K2）蒸发侧富氧空气出口管道依次经过液空液氮过冷器（E2）、换热器（E1）之后排出，底部的液空出口直接排出。

2.根据权利要求1所述的带制冷循环的低能耗制氮装置，其特征在于：还包括辅助增压透平膨胀机（ET402），所述辅助增压透平膨胀机（ET402）的增压端与膨胀端之间通过轴连接，增压端入口与洁净干燥空气输送管道连接，增压端出口的管道经过换热器（E1）之后连接到膨胀端入口，膨胀端出口的管道与二级精馏塔（C2）连接。

3.根据权利要求1或2所述的带制冷循环的低能耗制氮装置，其特征在于：所述液氮过冷器（E3）冷端出口管路分成的两路上均设置有节流阀。