CN104390427B - 高低温双膨胀节能型制氮装置及制氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制氮技术，公开了一种高低温双膨胀节能型制氮装置及制氮方法，包括预冷换热器和与预冷换热器连接的冷箱，冷箱包括主换热器、精馏塔、冷凝蒸发器、过冷器、高温增压透平膨胀机；还包括制氮方法。本发明提高进入精馏塔的空气的温度，空气处于过热状态再进入精馏塔，有利于精馏塔的精馏，提高氮气提取率；高温增压透平膨胀机由于进气温度高，输出功较大，利用输出功增压产品氮气，降低了空压机和精馏塔的操作压力，从而空压机的能耗得以降低、精馏塔的分离效果得到提高、氮气提取率得以提高的目的。
Description
技术领域
本发明涉及制氮技术，尤其涉及了一种高低温双膨胀节能型制氮装置及制氮方法。
背景技术
目前氮气产品需求量越来越大，特别是小型制氮装置的能耗很难降低，如何降低制氮装置能耗至关重要。氮气产品要求压力越高，压力污氮的量就越大，目前的一般做法是压力富氧空气部分膨胀，其余压力富氧空气节流，膨胀机的输出功增压原料空气或采用风机制动放空；富氧液空不过冷，或是采用冷凝蒸发器出来的富氧空气过冷。而采用常规的流程制氮装置的能耗较高，特别是在小型制氮装置不产液氮的情况下，制氮装置的流程已经成型，制氮装置的单耗更难降低。
发明内容
本发明针对现有技术中能耗高的缺点，提供了一种高低温双膨胀节能型制氮装置及制氮方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
高低温双膨胀节能型制氮装置，包括预冷换热器和与预冷换热器连接的冷箱，冷箱包括主换热器、精馏塔、冷凝蒸发器、过冷器、高温增压透平膨胀机，主换热器均与精馏塔、冷凝蒸发器、过冷器、高温增压透平膨胀机、低温膨胀机连接，精馏塔均与冷凝蒸发器、过冷器连接，冷凝蒸发器与过冷器连接。
作为优选，主换热器包括第一管路、第二管路、第三管路、第四管路，过冷器包括第五管路、第六管路、第七管路，精馏塔设有入口、气体输出口和液体输出口，冷凝蒸发器设有入口、气体输出口和液体输出口。
作为优选，高温增压透平膨胀机包括第一增压端和第一膨胀端，第一增压端与第一膨胀端通过第一轴连接，第一增压端包括进口端，第一增压端的进口端与第一管路的出口连接，第一管路的入口与精馏塔的气体输出口连接。
作为优选，第一膨胀端包括进口端和出口端，第一膨胀端的进口端与第四管路的出口连接，第一膨胀端的出口端通过管道与第八管路的入口连接，第一膨胀端的出口端通过管道与第三管路的入口连接。
作为优选，第四管路的入口与第六管路的出口连接，第六管路的入口与冷凝蒸发器的气相输出口连接。
作为优选，冷箱还包括低温膨胀机，低温膨胀机均与过冷器、主换热器连接；低温膨胀机包括第二增压端和第二膨胀端，第二增压端与第二膨胀端通过第二轴连接，第二膨胀端包括进口端和出口端，第二膨胀端的进口端通过管道与第四管路的出口连接，第二膨胀端的出口端通过管路与第五管路的入口连接。
作为优选，第二管路的出口通过管路与精馏塔的入口连接；第七管路的入口通过管道与精馏塔的液相输出口连接，第七管路的出口通过管道与冷凝蒸发器的入口连接，精馏塔的气相输出口通过管道与冷凝蒸发器的入口连接，冷凝蒸发器的液相输出口通过管道与精馏塔的塔顶连接。
作为优选，第五管路的出口通过管道与第三管路的入口连接。
作为优选，还包括过滤器、与过滤器连接的空压机和与预冷换热器连接的纯化装置，预冷换热器与空压机连接，预冷换热器通过纯化装置与冷箱连接。
高低温双膨胀节能型制氮方法，包括以下步骤：
a.将原料空气经过滤器过滤，过滤掉杂质后再进入空压机，在空压机中压缩到7bar至10bar，压缩后进入预冷换热器，在预冷换热器中被冷却并分离出游离水后，再进入纯化装置；在纯化装置中清除掉水分和二氧化碳，得到净化空气；
b.将步骤a中得到的净化空气输送到冷箱中的主换热器进行冷却，冷却后进入精馏塔中进行精馏；从精馏塔的气相输出口得到氮气流股，该氮气流股分为两股，其中一股氮气流股经过主换热器的复热后再进入高温增压透平膨胀机的第一增压端，经高温增压透平膨胀机增压后得到的氮气流股作为产品供客户使用；从精馏塔的液相输出口得到富氧液空；
c.将步骤b中得到的富氧液空经过冷器过冷后再进入冷凝蒸发器中，在冷凝蒸发器中富氧液空被汽化成压力富氧空气；压力富氧空气经过冷器复热后再进入主换热器中，压力富氧空气经主换热器复热后分为两股，其中一股压力富氧空气在主换热器复热至110K-130K后进入低温膨胀机中进行膨胀，膨胀后经过冷器复热后得到富氧空气；另一股压力富氧空气在主换热器上部引出进入高温增压透平膨胀机中进行膨胀，膨胀后得到富氧空气，将富氧空气分成两股，其中一股富氧空气进入预冷换热器进行冷却后放空；另一股富氧空气与经过冷器复热后的富氧空气汇合得到富氧空气后再进入主换热器中进行复热，复热后得到的富氧空气流出冷箱进入纯化装置作为再生原料空气。
作为优选，从精馏塔的气相输出口得到氮气流股，另一股氮气流股进入冷凝蒸发器被冷凝成液氮，液氮再返回到精馏塔的塔顶作为回流液参入精馏。
本发明的制氮流程，提高进入精馏塔的空气的温度，空气处于过热状态再进入精馏塔，有利于精馏塔的精馏，提高氮气提取率；高温增压透平膨胀机由于进气温度高，输出功较大，利用输出功增压产品氮气，降低了空压机和精馏塔的操作压力，从而空压机的能耗得以降低、精馏塔的分离效果得到提高、氮气提取率得以提高的目的。
附图说明
图1是本发明的流程图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中1—过滤器、2—空压机、3—预冷换热器、4—纯化装置、5—冷箱、6—主换热器、7—精馏塔、8—冷凝蒸发器、9—过冷器、10—高温增压透平膨胀机、11—第一管路、12—第二管路、13—第三管路、14—第四管路、15—第五管路、16—第六管路、17—第七管路、18—第八管路、19—第九管路、20—低温膨胀机、21—第一增压端、22—第二增压端、23—第一膨胀端、24—第二膨胀端、25—第一轴、26—第二轴。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
高低温双膨胀节能型制氮装置，如图1所示，图中箭头表示流股的流向，包括过滤器1、与过滤器1通过管道连接的空压机2、与空压机2通过管道连接的预冷换热器3、与预冷换热器3通过管道连接的纯化装置4、与纯化装置4通过管道连接的冷箱5，冷箱5包括主换热器6、精馏塔7、冷凝蒸发器8、过冷器9、高温增压透平膨胀机10、低温膨胀机20。
主换热器6包括第一管路11、第二管路12、第三管路13、第四管路14(图1中从右到左依次为第一管路11、第二管路12、第三管路13和第四管路14)。过冷器9包括第五管路15、第六管路16、第七管路17(图1中从右到左依次为第五管路15、第六管路16、第七管路17)。预冷换热器3包括第八管路18、第九管路19(图1中从右到左依次为第八管路18、第九管路19)。
精馏塔7设有入口、气体输出口和液体输出口。冷凝蒸发器8设有入口、气体输出口和液体输出口。
高温增压透平膨胀机10包括第一增压端21和第一膨胀端23，第一增压端21与第一膨胀端23通过第一轴25连接，第一增压端21包括进口端和出口端，第一增压端21的进口端与主换热器6的第一管路11的出口连接，主换热器6的第一管路11的入口与精馏塔7的气体输出口连接；第一增压端21的出口端上连接有管道，该管道上设有阀门。
第一膨胀端23包括进口端和出口端，第一膨胀端23的进口端与主换热器6的第四管路14的出口连接，主换热器6的第四管路14的入口与第六管路16的出口连接，第六管路16的入口与冷凝蒸发器8的气相输出口连接。第一膨胀端23的出口端通过管道与第八管路18的入口连接，第八管路18的出口连接有管道，第一膨胀端23的出口端通过管道与第三管路13的入口连接，第三管路13的出口通过管道与纯化装置4连接。
低温膨胀机20包括第二增压端22和第二膨胀端24，第二增压端22与第二膨胀端24通过第二轴26连接，第二膨胀端24包括进口端和出口端，第二膨胀端24的进口端通过管道与第四管路14的出口连接，第二膨胀端24的出口端通过管路与第五管路15的入口连接，第五管路15的出口通过管道与第三管路13的入口连接。
第三管路13的出口通过管路与纯化装置4连接，第二管路12的入口通过管路与纯化装置4连接，第二管路12的出口通过管路与精馏塔7的入口连接；第七管路17的入口通过管道与精馏塔7的液相输出口连接，第七管路17的出口通过管道与冷凝蒸发器8的入口连接，精馏塔7的气相输出口通过管道与冷凝蒸发器8的入口连接，冷凝蒸发器8的液相输出口通过管道与精馏塔7的塔顶连接。
空压机2通过管道与第九管路19的入口连接，第九管路19的出口通过管道与纯化装置4连接。
本发明的制氮装置，增加了高温增压透平膨胀机10，使用预冷换热器3代替预冷机组，总体投资稍有增加、电耗明显下降、用水量也有所降低。例如一套3000Nm3/h的压力9bar的制氮装置，投资成本增加20万元、电耗可以降低236kW、节水48t/h，电费年节约236x0.5x8500＝96.05万元，按照一套装置运行15年计算，节约电费为约为1440.75万元。本发明的制氮装置比常规装置投资增加的费用在200000/(236x0.5x24)＝70.6天后即可收回，经济效益很客观。具体比较见表一。
本发明也可演变为不需低温膨胀机20。
本发明可根据用户的实际产品情况，给预冷换热器3增加一股制冷剂来冷却进入预冷换热器3内的空气。
表一：制氮装置能耗比较
实施例2
高低温双膨胀节能型制氮方法，包括以下步骤：
a.将原料空气经过滤器1过滤，过滤掉杂质后的空气进入空压机2，在空压机2中压缩到7bar至10bar，在本实施例中，空气在空压机2中压缩到8bar，压缩到8bar的空气进入预冷换热器3，空气在预冷换热器3中被冷却并分离出游离水后，空气再进入纯化装置4；在纯化装置4中空气中的水分和二氧化碳被清除，得到净化空气。
b.将步骤a中得到的净化空气输送到冷箱5中的主换热器6的第二管路12进行冷却，冷却到温度为104K至112K后的空气从精馏塔7的入口进入精馏塔7中进行精馏。从精馏塔7的气相输出口得到氮气流股，该氮气流股分为两股，其中一股氮气经过主换热器6的第一管路11进行复热后再进入高温增压透平膨胀机10的第一增压端21，经高温增压透平膨胀机10增压后得到的氮气流股从第一增压端21的出口端流出作为产品供客户使用；另一股氮气进入冷凝蒸发器8被冷凝成液氮，液氮再返回到精馏塔7的塔顶作为回流液参入精馏。从精馏塔7的液相输出口得到富氧液空。
c.将步骤b中得到的富氧液空经过冷器9的第七管路17过冷后再进入冷凝蒸发器8中，在冷凝蒸发器8中富氧液空被汽化成压力富氧空气；压力富氧空气从冷凝蒸发器8的气相输出口流出经过冷器9的第六管路16复热后再进入主换热器6的第三管路13中，压力富氧空气经主换热器6复热后分为两股，其中一股压力富氧空气在主换热器6复热至110K-130K后进入低温膨胀机20的第二膨胀端24中进行膨胀，膨胀后经过冷器9的第五管路15进行复热后得到富氧空气；另一股压力富氧空气在主换热器6上部引出进入高温增压透平膨胀机10的第一膨胀端23中进行膨胀，膨胀后得到富氧空气，将富氧空气分成两股，其中一股富氧空气进入预冷换热器3进行冷却后放空；另一股富氧空气与经过冷器9复热后的富氧空气汇合得到富氧空气后再进入主换热器6的第三管路13中进行复热，复热后得到的富氧空气流出冷箱5进入纯化装置4作为再生原料空气。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (8)
1.高低温双膨胀节能型制氮装置，其特征在于：包括预冷换热器(3)和与预冷换热器(3)连接的冷箱(5)，冷箱(5)包括主换热器(6)、精馏塔(7)、冷凝蒸发器(8)、过冷器(9)、高温增压透平膨胀机(10)，主换热器(6)均与精馏塔(7)、冷凝蒸发器(8)、过冷器(9)、高温增压透平膨胀机(10)连接，精馏塔(7)均与冷凝蒸发器(8)、过冷器(9)连接，冷凝蒸发器(8)与过冷器(9)连接；主换热器(6)包括第一管路(11)、第二管路(12)、第三管路(13)、第四管路(14)，过冷器(9)包括第五管路(15)、第六管路(16)、第七管路(17)，精馏塔(7)设有入口、气体输出口和液体输出口，冷凝蒸发器(8)设有入口、气体输出口和液体输出口；高温增压透平膨胀机(10)包括第一增压端(21)和第一膨胀端(23)，第一增压端(21)与第一膨胀端(23)通过轴(25)连接，第一增压端(21)包括进口端，第一增压端(21)的进口端与第一管路(11)的出口连接，第一管路(11)的入口与精馏塔(7)的气体输出口连接。
2.根据权利要求1所述的高低温双膨胀节能型制氮装置，其特征在于：第一膨胀端(23)包括进口端和出口端，第一膨胀端(23)的进口端与第四管路(14)的出口连接，第一膨胀端(23)的出口端通过管道与第八管路(18)的入口连接，第一膨胀端(23)的出口端通过管道与第三管路(13)的入口连接。
3.根据权利要求1所述的高低温双膨胀节能型制氮装置，其特征在于：第四管路(14)的入口与第六管路(16)的出口连接，第六管路(16)的入口与冷凝蒸发器(8)的气相输出口连接。
4.根据权利要求1所述的高低温双膨胀节能型制氮装置，其特征在于：冷箱(5)还包括低温膨胀机(20)，低温膨胀机(20)均与过冷器(9)、主换热器(6)连接。
5.根据权利要求1所述的高低温双膨胀节能型制氮装置，其特征在于：第二管路(12)的出口通过管路与精馏塔(7)的入口连接；第七管路(17)的入口通过管道与精馏塔(7)的液相输出口连接，第七管路(17)的出口通过管道与冷凝蒸发器(8)的入口连接，精馏塔(7)的气相输出口通过管道与冷凝蒸发器(8)的入口连接，冷凝蒸发器(8)的液相输出口通过管道与精馏塔(7)的塔顶连接。
6.根据权利要求1所述的高低温双膨胀节能型制氮装置，其特征在于：还包括过滤器(1)、与过滤器(1)连接的空压机(2)和与预冷换热器(3)连接的纯化装置(4)，预冷换热器(3)与空压机(2)连接，预冷换热器(3)通过纯化装置(4)与冷箱(5)连接。
7.高低温双膨胀节能型制氮方法，包括权利要求6所述的制氮装置，其特征在于：包括以下步骤：
a.将原料空气经过滤器(1)过滤，过滤掉杂质后再进入空压机(2)，在空压机(2)中压缩到7bar至10bar，压缩后进入预冷换热器(3)，在预冷换热器(3)中被冷却并分离出游离水后，再进入纯化装置(4)；在纯化装置(4)中清除掉水分和二氧化碳，得到净化空气；
b.将步骤a中得到的净化空气输送到冷箱(5)中的主换热器(6)进行冷却，冷却后进入精馏塔(7)中进行精馏；从精馏塔(7)的气相输出口得到氮气流股，该氮气流股分为两股，其中一股氮气流股经过主换热器(6)的复热后再进入高温增压透平膨胀机(10)，经高温增压透平膨胀机(10)增压后得到的氮气流股作为产品供客户使用；从精馏塔(7)的液相输出口得到富氧液空；
c.将步骤b中得到的富氧液空经过冷器(9)过冷后再进入冷凝蒸发器(8)中，在冷凝蒸发器(8)中富氧液空被汽化成压力富氧空气；压力富氧空气经过冷器(9)复热后再进入主换热器(6)中，压力富氧空气经主换热器(6)复热后分为两股，其中一股压力富氧空气在主换热器(6)上部引出进入高温增压透平膨胀机(10)中进行膨胀，膨胀后得到富氧空气，将富氧空气分成两股，其中一股富氧空气进入预冷换热器(3)进行冷却后放空；另一股富氧空气与经过冷器(9)复热后的富氧空气汇合得到富氧空气后再进入主换热器(6)中进行复热，复热后得到的富氧空气流出冷箱(5)进入纯化装置(4)作为再生原料空气。
8.根据权利要求7所述的高低温双膨胀节能型制氮方法，其特征在于：从精馏塔(7)的气相输出口得到氮气流股，另一股氮气流股进入冷凝蒸发器(8)被冷凝成液氮，液氮再返回到精馏塔(7)的塔顶作为回流液参入精馏。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 311107 Yuhang economic and Technological Development Zone, Yuhang District, Zhejiang, the rise of the road No. 398, No. Applicant after: ZHEJIANG FORTUNE CRYOGENIC EQUIPMENT CO., LTD. Address before: 311100 Hangzhou, Yuhang, East Lake District, East Lake street, North Road, No. 159, No. Applicant before: Hangzhou Fortune Group Co., Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |