CN218155068U - 一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，所述装置包括过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、主换热器、精馏塔I、主冷凝蒸发器I、过冷器I、精馏塔II、主冷凝蒸发器II、液氮泵、过冷器II、膨胀机。本实用新型制备的氮气纯度高(≤3ppmO2)，压力为0.5‑1.0MpaG，提取率高，装置能耗低。

Description

一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置
技术领域
本实用新型涉及空分技术领域，具体涉及一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置。
背景技术
新能源汽车及锂离子电池需要品质稳定的高端电池级磷酸铁、磷酸铁锂、三元材料等，高端电池级磷酸铁、磷酸铁锂、三元材料等在加工生产过程中需要大量高纯度氮气作为保护气。随着产品升级，规模的大幅增加，低能耗高纯度氮气制取设备及工艺将会极大地节约耗能，降低生产成本，进一步提升企业产品的行业竞争优势。为此本实用新型提出了一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，以解决现有技术的不足。
本实用新型采用以下技术方案：
一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，所述装置包括过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、主换热器、精馏塔I、主冷凝蒸发器I、过冷器I、精馏塔II、主冷凝蒸发器II、液氮泵、过冷器II、膨胀机；
过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、膨胀机增压端、膨胀机增压后水冷却器设于冷箱外，主换热器、精馏塔I、主冷凝蒸发器I、过冷器I、精馏塔II、主冷凝蒸发器II、液氮泵、过冷器II、膨胀机设于冷箱内，主冷凝蒸发器I设于精馏塔I之上，主冷凝蒸发器II设于精馏塔II 之上；
过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、交替使用的分子筛吸附器依次连接，交替使用的分子筛吸附器分别和主换热器、膨胀机增压端连接，主换热器的完全冷却出口和精馏塔I底部的空气进口连接；膨胀机增压端和膨胀机增压后水冷却器连接，膨胀机增压后水冷却器和主换热器连接，主换热器的部分冷却出口和膨胀机连接，膨胀机和精馏塔II连接；
精馏塔I底部的液空出口和过冷器I连接，过冷器I和主冷凝蒸发器I连接，过冷器I和主冷凝蒸发器I的连接管路上设有节流阀，主冷凝蒸发器I富氧空气出口和精馏塔II连接；主冷凝蒸发器I液空出口和主冷凝蒸发器II连接，主冷凝蒸发器I液空出口和主冷凝蒸发器II的连接管路上设有节流阀；
精馏塔I下部的污液氮出口和过冷器I连接，过冷器I和精馏塔II连接，过冷器I和精馏塔II的连接管路上设有节流阀；
精馏塔I顶部的压力氮气出口分别和主换热器、主冷凝蒸发器I连接，主换热器连至外部高纯度压力氮气供用户管网；主冷凝蒸发器I的液氮出口和精馏塔 I顶部连接；
精馏塔II底部的富氧液空出口和过冷器II连接，过冷器II和主冷凝蒸发器 II连接，过冷器II和主冷凝蒸发器II的连接管路上设有节流阀；主冷凝蒸发器 II的污氮气出口和过冷器II连接，过冷器II和过冷器I连接，过冷器I和主换热器连接，主换热器分别和外部放空管道、电加热器连接，电加热器和交替使用的分子筛吸附器连接；
精馏塔II顶部的氮气出口和主冷凝蒸发器II连接，主冷凝蒸发器II的液氮出口分别和精馏塔II顶部、液氮泵连接，液氮泵分别和外部液氮产品储罐、过冷器II连接，过冷器II和精馏塔I顶部连接。
进一步地，空气压缩机为透平空气压缩机。
进一步地，膨胀机为增压透平膨胀机。
进一步地，所述装置制备的高纯度压力氮气产品纯度为≤3ppmO2，压力为 0.5-1.0MpaG。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型采用双塔精馏，增加精馏塔II用于分离来自精馏塔I分离出的富氧空气、污液氮及膨胀后空气中的氮，分离出的氮气经主冷凝蒸发器II冷凝为液氮，部分液氮作为精馏塔II的回流液，部分液氮经液氮泵增压、过冷器 II复热后引入精馏塔I作为回流液，从而分离出更多的氮产品。本实用新型制备的氮气纯度高(≤3ppmO2)，压力为0.5-1.0MpaG。
2、本实用新型设置了双过冷器，增加过冷器II，用于过冷精馏塔II底部的富氧液空，以回收返流污氮气及增压后过冷液氮的部分冷量转移至精馏塔II，减少富氧液空节流后汽化率，增大精馏塔II回流液氮量，提高精馏塔II氮组分的提取率，降低装置能耗。
3、本实用新型采用双主冷凝蒸发器，设置主冷凝蒸发器II，因主冷凝蒸发器I中液空中含氧量较精馏塔II富氧液空含氧量低，在精馏塔II精馏压力不变及满足主冷凝蒸发器I换热的情况下，可以降低精馏塔I的压力，从而降低进入精馏塔I的空气压力，进而降低装置能耗。
4、本实用新型从精馏塔I中引一股污液氮经过冷器I过冷、节流阀节流后引入精馏塔II参与精馏，将冷量从精馏塔I转移至精馏塔II，降低了精馏塔I的负荷，同时改善了精馏塔II的回流量，提高了精馏塔II氮组分的提取率，使负荷分配更合理，也提高了装置整体氮的提取率，降低装置能耗。
5、本实用新型主冷凝蒸发器II中氮气冷凝后的部分液氮经液氮泵增压后再经过冷器II复热后引入精馏塔I作为回流液，一方面利用液氮泵增压提高进入精馏塔I液氮的压力，降低了装置的能耗，另一方面利用过冷器II回收该液氮部分冷量，将冷量转移至精馏塔II，减少富氧液空节流后汽化率，增大精馏塔II回流液氮量，提高精馏塔II氮组分的提取率，从而进一步降低装置能耗。
6、本实用新型将膨胀后空气引入精馏塔II参与精馏，提高了装置整体氮组分利用率，降低装置能耗。
附图说明
图1为本实用新型装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本实用新型，但并不用来限定本实用新型的实施范围。
一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，所述装置如图1所示，包括过滤器1、空气压缩机2、空气预冷系统3、交替使用的分子筛吸附器4、电加热器5、主换热器6、精馏塔I7、主冷凝蒸发器I8、过冷器I11、精馏塔II9、主冷凝蒸发器II10、液氮泵13、过冷器II12、膨胀机14；优选地，所述空气压缩机2为透平空气压缩机，所述膨胀机14为增压透平膨胀机；空气预冷系统3为空气预冷机组或空冷塔/水冷塔；
过滤器1、空气压缩机2、空气预冷系统3、交替使用的分子筛吸附器4、电加热器5、膨胀机增压端141、膨胀机增压后水冷却器142设于冷箱外，主换热器6、精馏塔I7、主冷凝蒸发器I8、过冷器I11、精馏塔II9、主冷凝蒸发器II10、液氮泵13、过冷器II12、膨胀机14设于冷箱内，主冷凝蒸发器I8设于精馏塔I7 之上，主冷凝蒸发器II10设于精馏塔II9之上；
过滤器1、空气压缩机2、空气预冷系统3、交替使用的分子筛吸附器4依次连接，交替使用的分子筛吸附器4分别和主换热器6、膨胀机增压端141连接，主换热器6的完全冷却出口和精馏塔I7底部的空气进口连接；膨胀机增压端141 和膨胀机增压后水冷却器142连接，膨胀机增压后水冷却器142和主换热器6 连接，主换热器6的部分冷却出口和膨胀机14连接，膨胀机14和精馏塔II9连接；
精馏塔I7底部的液空出口和过冷器I11连接，过冷器I11和主冷凝蒸发器I8 连接，过冷器I11和主冷凝蒸发器I8的连接管路上设有节流阀，主冷凝蒸发器 I8富氧空气出口和精馏塔II9连接；主冷凝蒸发器I8液空出口和主冷凝蒸发器 II10连接，主冷凝蒸发器I8液空出口和主冷凝蒸发器II10的连接管路上设有节流阀；
精馏塔I7下部的污液氮出口和过冷器I11连接，过冷器I11和精馏塔II9连接，过冷器I11和精馏塔II9的连接管路上设有节流阀；
精馏塔I7顶部的压力氮气出口分别和主换热器6、主冷凝蒸发器I8连接，主换热器6连至外部高纯度压力氮气供用户管网；主冷凝蒸发器I8的液氮出口和精馏塔I7顶部连接；
精馏塔II9底部的富氧液空出口和过冷器II12连接，过冷器II12和主冷凝蒸发器II10连接，过冷器II12和主冷凝蒸发器II10的连接管路上设有节流阀；主冷凝蒸发器II10的污氮气出口和过冷器II12连接，过冷器II12和过冷器I11连接，过冷器I11和主换热器6连接，主换热器6分别和外部放空管道、电加热器 5连接，电加热器5和交替使用的分子筛吸附器4连接；
精馏塔II9顶部的氮气出口和主冷凝蒸发器II10连接，主冷凝蒸发器II10 的液氮出口分别和精馏塔II9顶部、液氮泵13连接，液氮泵13分别和外部液氮产品储罐、过冷器II12连接，过冷器II12和精馏塔I7顶部连接。
上述各部件的功能如下：
过滤器1，用于过滤原料空气中的灰尘和机械杂质；
空气压缩机2，用于将过滤后的空气压缩到设定压力；
空气预冷系统3，用于将过滤、压缩后的空气预冷；
交替使用的分子筛吸附器4，用于将过滤、压缩、预冷后的空气纯化，去除水分、CO2、C2H2等物质；
电加热器5，用于加热污氮气以再生交替使用的分子筛吸附器4；
主换热器6，用于将纯化后的部分空气冷却，将经膨胀机增压端141增压并经膨胀机增压后水冷却器142冷却后的空气部分冷却，将压力氮气、污氮气复热；
精馏塔I7，用于将空气精馏而分离为压力氮气和液空；
主冷凝蒸发器I8，用于液空和压力氮气换热，液空被汽化为富氧空气，压力氮气被液化为液氮；
过冷器I11，用于将液空、污液氮过冷，用于将污氮气复热；
精馏塔II9，用于将富氧空气、污液氮、膨胀后空气精馏而分离为富氧液空和氮气；
主冷凝蒸发器II10，用于富氧液空和氮气换热，富氧液空被汽化为污氮气，氮气被冷凝为液氮；
液氮泵13，用于将主冷凝蒸发器II10的部分液氮增压；
过冷器II12，用于将富氧液空过冷，将经液氮泵13增压后的部分液氮、污氮气复热；
膨胀机14，用于将部分冷却后的空气膨胀，制取装置所需冷量。
利用所述装置进行低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮工艺，包括如下步骤：
步骤一、将原料空气经过滤器1过滤掉灰尘和机械杂质后，进入空气压缩机2将空气压缩到0.6-1.0MPaG；之后经空气预冷系统3预冷至5-15℃后进入交替使用的分子筛吸附器4中纯化，去除水分、CO2、C2H2等物质；
步骤二、纯化后的空气一小部分用于仪表空气(图1中未示意出)，其余部分分成两股，一股空气进入主换热器6冷却至饱和温度并带有一定的含湿后进入精馏塔I7底部参与精馏；另一股空气经膨胀机增压端141增压并经膨胀机增压后水冷却器142冷却后引入主换热器6部分冷却，后引入膨胀机14膨胀制取装置所需冷量，膨胀后空气引入精馏塔II9中参与精馏；
步骤三、空气经精馏塔I7精馏后分离为液空、污液氮(其中，氧组分 33％-40％O2)和压力氮气，液空经过冷器I11过冷、节流阀节流后进入主冷凝蒸发器I8和压力氮气换热，液空被汽化为富氧空气，富氧空气引入精馏塔II9底部参与精馏，引出部分液空经节流阀节流后引入主冷凝蒸发器II10；污液氮经过冷器I11过冷、节流阀节流后进入精馏塔II9参与精馏；部分压力氮气引入主冷凝蒸发器I8和液空换热，压力氮气被冷凝为液氮，液氮引入精馏塔I7顶部作为回流液；其余压力氮气经主换热器6复热后出冷箱作为高纯度压力氮气产品，高纯度压力氮气产品纯度为≤3ppmO2，压力为0.5-1.0MpaG；
步骤四、富氧空气、污液氮、膨胀后空气经精馏塔II9精馏后分离为富氧液空和氮气(≤3ppmO2)，富氧液空经过冷器II12过冷、节流阀节流后进入主冷凝蒸发器II10和氮气换热，富氧液空被汽化为污氮气，污氮气依次经过冷器II12、过冷器I11和主换热器6复热后出冷箱，部分作为再生气由电加热器5加热后引入交替使用的分子筛吸附器4，其余放空；氮气引入主冷凝蒸发器II10和富氧液空换热，氮气被冷凝为液氮，部分液氮引入精馏塔II9顶部作为回流液，其余液氮经液氮泵13增压后部分出冷箱作为液氮产品，其余经过冷器II12复热后引入精馏塔I7顶部作为回流液。

Claims (4)

1.一种低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，其特征在于，所述装置包括过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、主换热器、精馏塔I、主冷凝蒸发器I、过冷器I、精馏塔II、主冷凝蒸发器II、液氮泵、过冷器II、膨胀机；
过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、交替使用的分子筛吸附器、电加热器、膨胀机增压端、膨胀机增压后水冷却器设于冷箱外，主换热器、精馏塔I、主冷凝蒸发器I、过冷器I、精馏塔II、主冷凝蒸发器II、液氮泵、过冷器II、膨胀机设于冷箱内，主冷凝蒸发器I设于精馏塔I之上，主冷凝蒸发器II设于精馏塔II之上；
过滤器、空气压缩机、空气预冷系统、交替使用的分子筛吸附器依次连接，交替使用的分子筛吸附器分别和主换热器、膨胀机增压端连接，主换热器的完全冷却出口和精馏塔I底部的空气进口连接；膨胀机增压端和膨胀机增压后水冷却器连接，膨胀机增压后水冷却器和主换热器连接，主换热器的部分冷却出口和膨胀机连接，膨胀机和精馏塔II连接；
精馏塔I底部的液空出口和过冷器I连接，过冷器I和主冷凝蒸发器I连接，过冷器I和主冷凝蒸发器I的连接管路上设有节流阀，主冷凝蒸发器I富氧空气出口和精馏塔II连接；主冷凝蒸发器I液空出口和主冷凝蒸发器II连接，主冷凝蒸发器I液空出口和主冷凝蒸发器II的连接管路上设有节流阀；
精馏塔I下部的污液氮出口和过冷器I连接，过冷器I和精馏塔II连接，过冷器I和精馏塔II的连接管路上设有节流阀；
精馏塔I顶部的压力氮气出口分别和主换热器、主冷凝蒸发器I连接，主换热器连至外部高纯度压力氮气供用户管网；主冷凝蒸发器I的液氮出口和精馏塔I顶部连接；
精馏塔II底部的富氧液空出口和过冷器II连接，过冷器II和主冷凝蒸发器II连接，过冷器II和主冷凝蒸发器II的连接管路上设有节流阀；主冷凝蒸发器II的污氮气出口和过冷器II连接，过冷器II和过冷器I连接，过冷器I和主换热器连接，主换热器分别和外部放空管道、电加热器连接，电加热器和交替使用的分子筛吸附器连接；
精馏塔II顶部的氮气出口和主冷凝蒸发器II连接，主冷凝蒸发器II的液氮出口分别和精馏塔II顶部、液氮泵连接，液氮泵分别和外部液氮产品储罐、过冷器II连接，过冷器II和精馏塔I顶部连接。
2.根据权利要求1所述的低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，其特征在于，空气压缩机为透平空气压缩机。
3.根据权利要求1所述的低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，其特征在于，膨胀机为增压透平膨胀机。
4.根据权利要求1所述的低能耗双塔双过冷正流膨胀制氮装置，其特征在于，所述装置制备的高纯度压力氮气产品纯度为≤3ppmO2，压力为0.5-1.0MpaG。
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