CN204848274U - 两段法制取高纯度氮气的系统 - Google Patents

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潘广通
石军雄
潘东成
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Abstract

本实用新型公开了一种两段法制取高纯度氮气的系统，包括低纯度制氮系统和高纯度制氮系统；低纯度制氮系统包括吸附塔A01、吸附塔A02和低纯度氮气缓冲罐PV01；原料空气通过阀KV1进入吸附塔A01，吸附塔A01通过阀KV6与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；吸附塔A02通过阀KV7与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；吸附塔A01通过两并联的阀KV5和阀KV8与吸附塔A02连通；高纯度制氮系统包括吸附塔B01、吸附塔B02和高纯度氮气缓冲罐PV02；低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV11与吸附塔B01连通，低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV12与吸附塔B02连通；吸附塔B01通过阀KV17和阀KV19串联与高纯度氮气缓冲罐PV02连通；吸附塔B02通过阀KV18和阀KV19串联与高纯度氮气缓冲罐PV02连通。本实用新型空气消耗量小、吸附剂用量少，且所需清洗气少。

Description

两段法制取高纯度氮气的系统
技术领域
本实用新型涉及制氮领域，具体为一种两段法制取高纯度氮气的系统。
背景技术
传统变压吸附制氮系统如图1所示，通常采用两只吸附塔，经历均压，泄压，吸附、清洗等步骤完成制氮工艺。传统变压吸附制氮工艺以含氮气78％的空气为原料，以两吸附塔配置的单段变压吸附工艺制取95％～99.999％等多种纯度的氮气。制取氮气的纯度越高，吸附剂用量以及原料空气的耗量也越多，制氮装置的投资费用和运行能耗也相应增加。特别是制取高纯度氮气时，这种增加的幅度变得更大。例如，当制取纯度为99.5％的氮气时，制取1Nm3氮气所需的2.6～2.9Nm3空气；当制取纯度为99.9％的氮气时，制取1Nm3氮气所需的空气增加到3.2～3.5Nm3。
变压吸附制氮过程中，一个完整的工作循环通常包括：吸附(产氮)，均压(降)，泄压，清洗，均压(升)，吸附(产氮)。在清洗步骤中，需引入部分清洗气(也即产品气)对吸附剂床层进行吹扫。对于各种变压吸附制氮装置，制取的产品纯度越高，则引入的清洗气量也越多。比如，制取99.5％氮气的变压吸附制氮装置需引入的清洗气为装置制氮产量的约20～30％；当制取99.999％氮气的变压吸附制氮装置需引入的清洗气增加为装置制氮产量的约50～60％。由此可见，制氮装置所生产的纯度越高，需要的清洗气量越多，而清洗气量均通过吸附器底部接管流经消音器排向环境大气而损失掉了。因此，对于给定的分子筛吸附剂，节省或减少变压吸附制氮装置的清洗气量，即是提高变压吸附制氮装置能耗效率。
发明内容
本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种吸附剂用量及原料空气耗量少，降低清洗气用量的两段法制取高纯度氮气的系统。本发明通过采用两级变压吸附制取高纯度氮气，第一段制取的低纯度氮气为第二段吸附塔提供原料气体，第二段制取的高纯度氮气部分用作第一段吸附装置的清洗气，实现节省清洗气量，减少吸附剂的用量的目的。
本实用新型的技术手段如下：
一种两段法制取高纯度氮气的系统，其特征在于，所述制取高纯度氮气的系统包括低纯度制氮系统和高纯度制氮系统；
所述低纯度制氮系统包括吸附塔A01、吸附塔A02和低纯度氮气缓冲罐PV01；原料空气通过阀KV1进入吸附塔A01，吸附生产低纯度氮气；所述吸附塔A01通过阀KV6与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；所述吸附塔A01通过阀KV3向大气泄压；所述原料空气通过阀KV2进入吸附塔A02，吸附生产低纯度氮气；所述吸附塔A02通过阀KV7与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；所述吸附塔A02通过阀KV4向大气泄压；所述吸附塔A01通过两并联的阀KV5和阀KV8与所述吸附塔A02连通；
所述高纯度制氮系统包括吸附塔B01、吸附塔B02和高纯度氮气缓冲罐PV02；所述低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV11与所述吸附塔B01连通；所述吸附塔B01通过阀KV17和阀KV19串联与所述高纯度氮气缓冲罐PV02连通；所述低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV12与所述吸附塔B02连通；所述吸附塔B02通过阀KV18和阀KV19串联与所述高纯度氮气缓冲罐PV02连通；
所述吸附塔B01通过阀KV15和阀KV16串联与所述吸附塔B02连通；
所述吸附塔B01通过阀KV17和阀KV18串联与所述吸附塔B02连通；
所述吸附塔B02通过阀KV16、阀KV13和单向阀HV10串联与所述吸附塔A02连通；所述吸附塔B01通过阀KV15、阀KV13和单向阀HV9串联与所述吸附塔A01连通；所述B01通过阀KV20和限流孔板FL串联与所述吸附塔B02连通；
所述真空泵VP01通过阀KV14和阀KV16串联与所述吸附塔B02连通；
所述真空泵VP01通过阀KV14和阀KV15串联与所述吸附塔B01连通；
所述真空泵VP01的进口工作压力通过控制与所述真空泵VP01并联的阀KV21的开关进行控制保护。
进一步地，所述吸附塔A01、吸附塔A02、吸附塔B01和吸附塔B02的工作压力不低于0.6MPa.G。
进一步地，所述真空泵VP01将所述吸附塔B02抽真空至-25KPa～-40KPa。
更进一步地，所述低纯度氮气缓冲罐PV01里的氮气纯度不小于97％，所述高纯度氮气缓冲罐PV02里的氮气纯度不小于99.999％。
与现有技术比较，本实用新型所述的两段法制取高纯度氮气的系统具有以下有益效果：
1、节省空气消耗量，同时降低了吸附剂用量。
2、适用于普及应用的小颗粒直径吸附剂，细小颗粒的吸附剂降低了吸附剂床层的空隙率，有利于提高吸附剂的单位产率和装置的生产效率，但是，吸附剂层的流体阻力会随着吸附剂层的厚度的增加而增加，采用两段法制取高纯度氮气可将每个吸附塔中吸附剂床层的高度降低，有利于降低吸附阻力、缩短清洗时间和减少清洗气量。
3、有利于“不采用后级催化脱氧的变压吸附制高纯氮气装置”大型化。
附图说明
图1为传统变压吸附制氮系统示意图；
图2为本实用新型实施例制氮系统示意图；
图3为本实用新型实施例阀门控制时序图。
具体实施方式
图2所示的一种两段法制取高纯度氮气的系统，适用于变压法制取高纯度氮气，所述两段法制取高纯度氮气的系统包括低纯度制氮系统和高纯度制氮系统；其中低纯度制氮系统包括吸附塔A01、吸附塔A02和低纯度氮气缓冲罐PV01；原料空气通过阀KV1进入吸附塔A01，吸附生产低纯度氮气；所述吸附塔A01通过阀KV6与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；所述吸附塔A01通过阀KV3向大气泄压；所述原料空气通过阀KV2进入吸附塔A02，吸附生产低纯度氮气；所述吸附塔A02通过阀KV7与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；所述吸附塔A02通过阀KV4向大气泄压；所述吸附塔A01通过两并联的阀KV5和阀KV8与所述吸附塔A02连通；
所述高纯度制氮系统包括吸附塔B01、吸附塔B02和高纯度氮气缓冲罐PV02；所述低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV11与所述吸附塔B01连通；所述吸附塔B01通过阀KV17和阀KV19串联与所述高纯度氮气缓冲罐PV02连通；所述低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV12与所述吸附塔B02连通；所述吸附塔B02通过阀KV18和阀KV19串联与所述高纯度氮气缓冲罐PV02连通；
所述吸附塔B01通过阀KV15和阀KV16串联与所述吸附塔B02连通；
所述吸附塔B01通过阀KV17和阀KV18串联与所述吸附塔B02连通；
所述吸附塔B02通过阀KV16、阀KV13和单向阀HV10串联与所述吸附塔A02连通；所述吸附塔B01通过阀KV15、阀KV13和单向阀HV9串联与所述吸附塔A01连通；所述B01通过阀KV20和限流孔板FL串联与所述吸附塔B02连通；
所述真空泵VP01通过阀KV14和阀KV16串联与所述吸附塔B02连通；
所述真空泵VP01的进口工作压力通过控制与所述真空泵VP01并联的阀KV21的开关进行控制保护。
进一步地，所述吸附塔A01、吸附塔A02、吸附塔B01和吸附塔B02的工作压力不低于0.6MPa.G。
进一步地，所述真空泵VP01将所述吸附塔B02抽真空至-25KPa～-40KPa。
更进一步地，所述低纯度氮气缓冲罐PV01里的氮气纯度不小于97％，所述高纯度氮气缓冲罐PV02里的氮气纯度不小于99.999％。
各阀门的开启和关闭时序参考图3，图中，阴影部分表示阀开。本实用新型实施例制取高纯度氮气的工艺如下：
A、原料空气进入低纯度制氮系统的吸附塔A01，吸附生产97％以上纯度的氮气，生产出的低纯度氮气进入氮气缓冲罐PV01缓存，同时吸附塔A02通过打开阀KV4向大气环境泄压。
B、吸附塔A01接近吸附饱和前，吸附塔A01和吸附塔A02通过打开阀KV05和阀KV08均压。
C、原料空气进入吸附塔A02继续吸附生产97％以上纯度的氮气，生产出的氮气进入缓冲罐PV01缓存，同时吸附塔A01通过打开阀KV3向大气环境泄压。
其中，制取低纯度氮气为第一阶段制氮工艺，制取高纯度氮气为第二阶段制氮工艺，第一阶段制氮工艺自身并不提供清洗气。
D、来自缓冲罐PV01内97％以上纯度的氮气作为高纯度制氮系统的原料气进入吸附塔B01吸附生产99.999％以上高纯度氮气，生产出的高纯度氮气进入缓冲罐PV02缓存；同时B02吸附塔通过打开阀KV16、阀KV13泄压；泄压释放的气体流入泄压状态的吸附塔A02，对吸附塔A02中的吸附剂进行清洗。
同理，吸附塔B01泄压释放的气体对吸附塔A01中的吸附剂进行清洗。本领域技术人员可显而易见的想到吸附塔B01泄压释放的气体对吸附塔A02中的吸附剂进行清洗，而吸附塔B02泄压释放的气体对吸附塔A01中的吸附剂进行清洗的等同替换。
E、低纯度制氮系统中的吸附塔A01和高纯度制氮系统中的吸附塔B01继续保持吸附，吸附塔B02内压力泄放接近大气压时，通过真空泵VP01对吸附塔B02抽真空至－25～－40KPa，并在抽真空时从吸附塔B01引入少量产品气对吸附塔B02边抽真空边清洗。
真空泵VP01的进口工作压力通过开启或者关闭阀KV21进行控制保护。吸附塔A01、吸附塔A02分别和吸附塔B01和吸附塔B02保持吸附或解吸工作状态同步。
F、吸附塔B01接近吸附饱和前，通过打开阀KV15、阀KV16、阀KV17、KV18完成吸附塔B01向吸附塔B02均压。
G、来自低纯度制氮系统的氮气进入高纯度制氮系统的吸附塔B02，继续吸附生产纯度为99.999％以上的高纯氮气。
循环重复上述工作步骤，即可实现连续制取高纯度氮气。
相对于传统的变压吸附法制取氮气的工艺，本发明所公开的制取高纯度氮气的系统和工艺，制取高纯度氮气节省了空气消耗量，降低了吸附剂的用量，且减少了清洗气的用量。
通过本实用新型公开的制氮系统和制氮工艺的技术，延伸的两段以上的变压吸附制取氮气的技术方式的选择都应包含在本实用新型专利的保护范围内。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种两段法制取高纯度氮气的系统，其特征在于，所述制取高纯度氮气的系统包括低纯度制氮系统和高纯度制氮系统；
所述低纯度制氮系统包括吸附塔A01、吸附塔A02和低纯度氮气缓冲罐PV01；原料空气通过阀KV1进入吸附塔A01，吸附生产低纯度氮气；所述吸附塔A01通过阀KV6与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；所述吸附塔A01通过阀KV3向大气泄压；所述原料空气通过阀KV2进入吸附塔A02，吸附生产低纯度氮气；所述吸附塔A02通过阀KV7与低纯度氮气缓冲罐PV01连通；所述吸附塔A02通过阀KV4向大气泄压；所述吸附塔A01通过两并联的阀KV5和阀KV8与所述吸附塔A02连通；
所述高纯度制氮系统包括吸附塔B01、吸附塔B02和高纯度氮气缓冲罐PV02；所述低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV11与所述吸附塔B01连通；所述吸附塔B01通过阀KV17和阀KV19串联与所述高纯度氮气缓冲罐PV02连通；所述低纯度氮气缓冲罐PV01通过KV12与所述吸附塔B02连通；所述吸附塔B02通过阀KV18和阀KV19串联与所述高纯度氮气缓冲罐PV02连通；
所述吸附塔B01通过阀KV15和阀KV16串联与所述吸附塔B02连通；
所述吸附塔B01通过阀KV17和阀KV18串联与所述吸附塔B02连通；
所述吸附塔B02通过阀KV16、阀KV13和单向阀HV10串联与所述吸附塔A02连通；所述吸附塔B01通过阀KV15、阀KV13和单向阀HV9串联与所述吸附塔A01连通；所述B01通过阀KV20和限流孔板FL串联与所述吸附塔B02连通；
所述真空泵VP01通过阀KV14和阀KV16串联与所述吸附塔B02连通；
所述真空泵VP01通过阀KV14和阀KV15串联与所述吸附塔B01连通；
所述真空泵VP01的进口工作压力通过控制与所述真空泵VP01并联的阀KV21的开关进行控制保护。
2.根据权利要求1所述的制取高纯度氮气的系统，其特征在于，所述吸附塔A01、吸附塔A02、吸附塔B01和吸附塔B02的工作压力不低于0.6MPa.G。
3.根据权利要求1所述的制取高纯度氮气的系统，其特征在于，所述真空泵VP01将所述吸附塔B02或吸附塔B01抽真空至-25KPa～-40KPa。
4.根据权利要求1所述的制取高纯度氮气的系统，其特征在于，所述低纯度氮气缓冲罐PV01里的氮气纯度不小于为97％，所述高纯度氮气缓冲罐PV02里的氮气纯度不小于99.999％。
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