CN210374296U - 一种液氮制备系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种液氮制备系统，包括液氮制备装置、液氮存储器和热交换器，其中热交换器用于第一气体与第二气体热量交换，第一气体为液氮制备装置制备出口闪蒸形成的氮气；第二气体为流入液氮制备装置之前的用于制备液氮的氮气；本实用新型在液氮制备装置的氮气进口端和液氮出口端增加一个热交换器，用于回收液氮出口端液氮闪蒸出来的低温氮气的冷量，这样进入液氮制备装置中的氮气吸收闪蒸出来的低温氮气的冷量，进入液氮制备装置的氮气温度降低，从而更容易被液化，该过程中消耗的冷量和电能明显减少，降低单位产量能耗，并且大大提升液氮制备装置的效率和产量。根据计算，本实用新型所提供的液氮制备系统可以提升液氮产量在18％以上。
Description
技术领域
本实用新型涉及液氮制备技术领域，特别涉及一种液氮制备系统。
背景技术
液氮是一种无色无臭无毒、温度极低的物质，常常作为冷却剂广泛应用于医疗、生物、材料、食品、电子和军事等诸多领域。随着深低温技术应用的不断拓展，社会对液氮的需求量不断提升，液氮制备系统由此应运而生。
液氮制备系统通常利用空气或者氮气通过各种低温技术对氮气进行降温从而获得液氮。从常温氮气(25℃左右)到低温液氮(-196℃)之间存在200℃以上的巨大温差，液氮制备设备的效率并不高，充分利用每一份能量就显得尤为重要。
目前，液氮制备系统生产出来的液氮需要存储至液氮存储容器中，液氮在由液氮制备系统流入液氮存储容器过程中，部分液氮蒸发形成低温氮气，这一部分低温氮气被排放到环境中，真正存储下来能被有效利用的量大打折扣。同时由于液氮存储容器漏热的原因，部分液氮蒸发产生的低温氮气也需要排放到环境中。这样就导致大量冷量在存储和输出利用过程中被白白浪费。
如何提高液氮制备设备所生产液氮的利用效率，是本领域内技术人员一直亟待解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种液氮制备系统，包括液氮制备装置和液氮存储器，所述液氮制备装置用于制备液氮；所述液氮存储器用于存储液氮；还包括热交换器，用于第一气体与第二气体热量交换，所述第一气体为所述液氮制备装置制备出口闪蒸形成的氮气；所述第二气体为流入所述液氮制备装置之前的用于制备液氮的氮气。
本实用新型在液氮制备装置的氮气进口端和液氮出口端增加一个热交换器，用于回收液氮出口端液氮闪蒸出来的低温氮气的冷量，这样进入液氮制备装置中的氮气吸收闪蒸出来的低温氮气的冷量，进入液氮制备装置的氮气温度降低，从而更容易被液化，该过程中消耗的冷量和电能明显减少，降低单位产量能耗，并且大大提升液氮制备装置的效率和产量。根据计算，本实用新型所提供的液氮制备系统可以提升液氮产量在18％以上。
可选的，所述热交换器具有第一换热进口、第一换热出口、第二换热进口和第二换热出口，所述第一换热进口通过管路连接于所述液氮存储器的进口位置，所述第一换热出口连通大气；所述第二换热进口连通氮气气源出口，所述第二换热出口连通所述液氮制备装置的氮气进口。
可选的，所述第一换热进口与所述液氮存储器的进口连通管路上还设置有回收阀门，用于连通或断开液氮制备装置出口和热交换器之间管路。
可选的，所述液氮制备装置与所述液氮存储器之间还设置有流量阀，所述流量阀位于所述液氮制备装置与所述第一换热进口连接位置的上游。
可选的，所述热交换器的第二换热进口还设置有通断阀，用于连通或者断开所述热交换器与所述氮气气源的连通管路。
可选的，所述热交换器为板式换热器、板翅式换热器、管壳式换热器，缠绕管式换热器或者套管换热器。
可选的，所述氮气气源至少包括空压机、氮气分离器和压力储罐，三者沿气流方向依次布置，所述压力储罐的出口连通所述热交换器的第二换热进口，并且所述通断阀设置于所述压力储罐的出口和所述第二换热进口的连通管道上。
可选的，所述空压机和所述氮气分离器连通管路上还设置有除油器、冷干机和过滤器其中一者或者几者。
可选的，所述热交换器的第一换热出口连通所述空压机的进气口管路。
附图说明
图1为本实用新型一种实施例中液氮制备系统的结构框图；
图2为本实用新型另一种实施例中液氮制备系统的结构框图。
其中，图1和图2中部件名称与附图标记的一一对应关系如下所示：
1-液氮制备装置；2-液氮存储器；3-热交换器；4-回收阀门；5-流量阀；6-通断阀；7-空压机；8-除油器；9-冷干机；10-过滤器；11-氮气分离器；12-压力储罐。
具体实施方式
针对背景技术中所描述的液氮在由液氮制备设备流入液氮存储设备过程中部分蒸发形成低温氮气的技术问题，本文进行了不断探索，部分形成低温氮气主要受以下几方面因素影响:出口液氮闪蒸、存储容器冷却、环境对存储容器的漏热等。正是以上几个因素的存在，液氮制备系统的液氮利用率比较低。
针对以上发现，本文进行深入研究并提出了一种可以提高液氮利用效率的技术方案。
为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
请参考图1，图1为本实用新型一种实施例中液氮制备系统的结构框图。
本实用新型的液氮制备系统包括液氮制备装置1、液氮存储器2和热交换器3，液氮制备装置1用于制备液态氮气，向液氮制备装置1内部通入氮气(气态)，气态氮气经液氮制备装置1后变为液氮(液态氮)；液氮存储器2用于存储液氮制备装置1形成的液氮。
其中液氮制备装置1和液氮存储器2的具体结构可以参考现有技术，本文不做具体介绍。
热交换器3用于第一气体与第二气体热量交换，本文中所述的第一气体为液氮制备装置1制备出口闪蒸形成的氮气；第二气体为流入液氮制备装置1之前的用于制备液氮的氮气。
本实用新型在液氮制备装置1的氮气进口端和液氮出口端增加一个热交换器3，用于回收液氮出口端液氮闪蒸出来的低温氮气的冷量，这样进入液氮制备装置1中的氮气吸收闪蒸出来的低温氮气的冷量，进入液氮制备装置1的氮气温度降低，从而更容易被液化，该过程中消耗的冷量和电能明显减少，降低单位产量能耗，并且大大提升液氮制备装置1的效率和产量。根据计算，本实用新型所提供的液氮制备系统可以提升液氮产量在18％以上。
具体地，热交换器3可以具有第一换热进口、第一换热出口、第二换热进口和第二换热出口，第一换热进口通过管路连接于液氮存储器2的进口位置，第一换热出口连通大气；第二换热进口连通氮气气源出口，第二换热出口连通液氮制备装置1的氮气进口。
本实用新型通过实现对存储和输出过程中蒸发产生的低温氮气的冷量进行回收，有效提升液氮利用效率，提高液氮产量。
以一种典型的液氮制备流程工况为例进行说明，为简化说明，不考虑氮气流动过程中的压力损失，计算结果不会带来明显偏差。
液氮制备装置1氮气入口压力Phi＝1MPa，温度为环境温度，Thi＝25℃，其焓值Hhi＝307.5J/g。
氮气经过液氮制备装置1冷却为饱和液氮，出口压力P＝1MPa，温度为该压力下的饱和温度，T＝-169.5℃，其焓值H＝-64.6J/g。
该饱和液氮在液氮制备装置1出口处压力降为环境压力，发生闪蒸，产生一部分环境压力的液氮和一部分环境压力的低温氮气。环境压力的液氮压力Pl＝0.1MPa，温度为该压力下的饱和温度，Tl＝-196℃，其焓值Hl＝-122.4J/g。环境压力的低温氮气压力Pci＝0.1MPa，温度为该压力下的饱和温度，Tci＝-196℃，其焓值Hci＝76.7J/g。根据能量守恒和质量守恒定律可以计算得出环境压力的液氮质量占比为(H-Hci)/(Hl-Hci)＝71.0％，环境压力的低温氮气质量占比为(H-Hl)/(Hci-Hl)＝29.0％。
该部分环境压力的低温氮气被回收，从液氮制备装置1进口端的热交换器3一端进入，与前文所述进入液氮制备装置1的环境温度氮气发生逆流换热。换热之后原环境压力的低温氮气压力Pco＝0.1MPa，温度为环境温度，Tco＝25℃，其焓值Hco＝309.5J/g。换热之后原环境温度氮气压力Pho＝1MPa，根据能量守恒定律计算得到其焓值Hho＝239.9J/g，查物性参数得到其温度Tho＝-38.7℃，与其进入热交换器3时的温度Thi＝25℃相比温度下降了63.7℃，冷却效果显著。该回收过程的冷量回收为(Hco-Hci)*29.0％＝67.6J/g，液氮产能提升率为(Hco-Hci)*29.0％/(Hhi-H)＝18.2％。
在上述过程中，由于产能提升，需要增大入口阀门开度，增加氮气供应至相应流量，如118.2％，根据上述计算过程得到液氮产能提升率为21.5％。如此循环多次迭代得到稳定状态下液氮产能提升率为22.2％，提升效果十分明显。
上述各实施例中，第一换热进口与液氮存储器2的进口连通管路上还可以设置有回收阀门4，用于连通或断开液氮制备装置出口和热交换器之间管路。
上述各实施例中，液氮制备装置1与液氮存储器2之间还设置有流量阀5，流量阀5位于液氮制备设备与第一换热进口连接位置的上游。这样可以方便系统的维修和维护。
上述各实施例中，热交换器3的第二换热进口还设置有通断阀6，用于连通或者断开热交换器3与氮气气源连通管路，以方便维修和维护系统。
请参考图2，图2为本实用新型另一种实施例中液氮制备系统的结构框图。
上述各实施例中，氮气气源可以至少包括空压机7、氮气分离器11和压力储罐12，三者沿气流方向依次布置，压力储罐12的出口连通热交换器3的第二换热进口，并且通断阀6设置于压力储罐12的出口和第二换热进口的连通管道上。
空压机7压缩空气产生液氮，液氮通过氮气分离器11分离存储在压力储罐2内部。
进一步地，空压机7和氮气分离器11连通管路上还设置有除油器8、冷干机9和过滤器10(除去粉尘)其中一者或者几者。
在一种优选的实施方式中，热交换器3的第一换热出口连通空压机7的进气口管路；如此，第一换热出口出来的氮气与空气混合，混合过程中与空气进行热交换，降低空气的温度，使降温之后的混合气体进入空压机7。
上述热交换器3可以为板式换热器、板翅式换热器、管壳式换热器，缠绕管式换热器，也可以为套管式换热器，当然还可以为其他换热设备，只要能够实现两种气体之间能量的传递即可。
本实用新型在液氮制备装置的氮气进口端和液氮出口端增加一个热交换器，用于回收液氮出口端液氮闪蒸出来的低温氮气的冷量，这样进入液氮制备装置中的氮气吸收闪蒸出来的低温氮气的冷量，进入液氮制备装置的氮气温度降低，从而更容易被液化，该过程中消耗的冷量和电能明显减少，降低单位产量能耗，并且大大提升液氮制备装置的效率和产量。根据计算，本实用新型所提供的液氮制备系统可以提升液氮产量在18％以上。
液氮制备系统其它方面的资料，请参考现有技术，本文不做赘述。
以上对本实用新型所提供的一种液氮制备系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种液氮制备系统，包括液氮制备装置(1)和液氮存储器(2)，所述液氮制备装置(1)用于制备液氮；所述液氮存储器(2)用于存储液氮；其特征在于，还包括热交换器(3)，用于第一气体与第二气体热量交换，所述第一气体为所述液氮制备装置(1)制备出口闪蒸形成的氮气；所述第二气体为流入所述液氮制备装置(1)之前的用于制备液氮的氮气。
2.如权利要求1所述的液氮制备系统，其特征在于，所述热交换器(3)具有第一换热进口、第一换热出口、第二换热进口和第二换热出口，所述第一换热进口通过管路连接于所述液氮存储器(2)的进口位置，所述第一换热出口连通大气；所述第二换热进口连通氮气气源出口，所述第二换热出口连通所述液氮制备装置(1)的氮气进口。
3.如权利要求2所述的液氮制备系统，其特征在于，所述第一换热进口与所述液氮存储器(2)的进口连通管路上还设置有回收阀门(4)，用于连通或断开所述液氮制备装置(1)出口和所述热交换器(3)之间管路。
4.如权利要求2所述的液氮制备系统，其特征在于，所述液氮制备装置(1)与所述液氮存储器(2)之间还设置有流量阀(5)，所述流量阀(5)位于所述液氮制备装置(1)与所述第一换热进口连接位置的上游。
5.如权利要求2所述的液氮制备系统，其特征在于，所述热交换器(3)的第二换热进口还设置有通断阀(6)，用于连通或者断开所述热交换器(3)与所述氮气气源的连通管路。
6.如权利要求1至5任一项所述的液氮制备系统，其特征在于，所述热交换器(3)为板式换热器、板翅式换热器、管壳式换热器，缠绕管式换热器或者套管换热器。
7.如权利要求5所述的液氮制备系统，其特征在于，所述氮气气源至少包括空压机(7)、氮气分离器(11)和压力储罐(12)，三者沿气流方向依次布置，所述压力储罐(12)的出口连通所述热交换器(3)的第二换热进口，并且所述通断阀(6)设置于所述压力储罐(12)的出口和所述第二换热进口的连通管道上。
8.如权利要求7所述的液氮制备系统，其特征在于，所述空压机(7)和所述氮气分离器(11)连通管路上还设置有除油器(8)、冷干机(9)和过滤器(10)其中一者或者几者。
9.如权利要求7所述的液氮制备系统，其特征在于，所述热交换器(3)的第一换热出口连通所述空压机(7)的进气口管路。
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