CN105399063A - 组合式高压氮气提纯设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式高压氮气提纯设备，其包括膜分离制氮单元以及与其管线连接的高压PSA变压吸附制氮提纯单元；所述高压PSA变压吸附制氮提纯单元包括两台并联的变压吸附塔。变压吸附塔内腔均通过筛板间隔为上、下两部分，其中上部填充有分子筛、下部填充有瓷球；所述变压吸附塔内腔的顶部和/或底部设有气体分散器，其中顶部的分散器与均压管线连接、底部的分散器埋于瓷球中且与低纯氮气管线连接。本发明充分利用变压吸附工艺制取氮气纯度高的特点，将膜分离制氮设备生产的1.7MPa左右、90%-95%纯度的氮气提纯到99%以上纯度氮气，整套设备结构紧凑，布局合理，设备整体运行可靠性强，安全性高。

Description

组合式高压氮气提纯设备

技术领域

本发明涉及高压高纯氮气制取设备领域，特别涉及一种组合式高压氮气提纯设备。

背景技术

现有的氮气制取设备有膜分离制氮设备和低压PSA变压吸附制氮。膜分离制氮设备一般由空气压缩机、氧氮分离设备和两部分组成。空气压缩机核心部件为螺杆式压缩机，将空气增压后输送到氧氮分离设备。利用中空纤维膜的特性将氧氮分离，得到压力较高的氮气。PSA变压吸附制氮设备一般由空气压缩机、PSA变压吸附制氮设备两部分组成。空气压缩机核心部件为螺杆式压缩机，将空气增压后输送到PSA变压吸附制氮。利用分子筛的特性，通过变压吸附制氮工艺将氧氮分离，得到压力较高的氮气。

膜制氮分离设备和PSA变压吸附制氮设备主要区别在于氧氮分离部分。

一、膜制氮分离设备输出的氮气一般压力可到1.6MPa，纯度为95%左右。制取合格氮气的速度快，压力高，但纯度较低。

二、PSA变压吸附制氮设备输出的氮气一般压力为0.8MPa，纯度为99%以上。制取氮气的速度一般。

通过以上对比可知，膜分离制氮设备产生的氮气纯度一般为95%，不能满足对氧浓度非常敏感的场所氮气纯度要求。如果想将纯度调整至99%以上，设备制造成本高。

普通PSA变压吸附制氮设备产生的氮气纯度可达99%以上，但是其产出氮气压力较低，增加后级增压设备的负担。原来需要的压缩空气量大。随着分子筛技术的进步，需要的压缩空气流量有所下降。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种工艺简单、设备投资少且可以获得高纯、高压氮气的组合式高压氮气提纯设备。

本发明的原理是：将现有的膜分离制氮***与PSA变压吸附制氮***相结合，将PSA变压吸附制氮***的进气改为膜分离制氮***获得低纯氮气（同时舍弃现有PSA变压吸附制氮***前端的压缩空气制取以及处理设备），通过变压吸附原理将低纯氮气提纯为高纯氮气。

组合式高压氮气提纯设备的技术方案是：包括膜分离制氮单元以及与其管线连接的高压PSA变压吸附制氮提纯单元；所述高压PSA变压吸附制氮提纯单元包括两台并联的变压吸附塔。

由于现有的变压吸附塔均适用于低压吸附工况（输出的氮气一般压力为0.8MPa左右），而本发明中膜分离制氮***得到的氮气压力通常在1.7MPa左右，因此这就决定了本发明中变压吸附塔设计工作压力为2.0MPa左右（高压PSA变压吸附制氮提纯单元设计吸附压力1.5MPa≤P≤2.2MPa）。因此需要将现有的普通变压吸附塔进行改进，来较少高压气体对分子筛的冲击同时均布气体。以下为本发明提出的一种优选方案所得到高压氮气提纯用PSA变压吸附塔，其技术方案是：包括两台并联的变压吸附塔，每台变压吸附塔包括塔体以及其底部连接的低纯氮气管线和富氧排空管线、顶部连接的高纯氮气管线以及两塔之间并接的均压管线，每台变压吸附塔内腔均通过筛板间隔为上、下两部分，其中上部填充有分子筛、下部填充有瓷球；所述变压吸附塔内腔的顶部和/或底部设有气体分散器，其中顶部的气体分散器与均压管线连接、底部的气体分散器埋于瓷球中且与低纯氮气管线连接。即通过在吸附塔底部或顶部或者二者均设有分散器，使在低纯氮气进气以及均压操作时高压气体分散不冲击分子筛；同时将下部进气管路埋在瓷球中，使气体分散进一步均布且起到缓冲高压气体的作用。

优选的，所述气体分散器为阻尼分散器，所述阻尼分散器采用多点阻尼式喷头；既实现均匀布气，又可以减少高压气体对分子筛的冲击。

优选的，所述均压管线上设有阻尼孔板，阻尼孔板起到节流作用，使均压气流的冲击减小，保证筛床稳定

优选的，所述两台变压吸附塔的低纯氮气管线和富氧排空管线分别并接且共用同一管线与塔底的气体分散器连接，所述两台变压吸附塔的高纯氮气管线并接且同时作为均压管线；所述低纯氮气管线、富氧排空管线以及高纯氮气管线分别设有控制阀。上述设计简洁紧凑，节省空间。

组合式高压氮气提纯设备除了核心设备高压氮气提纯用PSA变压吸附塔之外，还包括低纯氮气罐和高纯氮气罐，所述低纯氮气罐的进口与膜分离制氮单元的氮气出口管线连接、出口与两变压吸附塔并接的低纯氮气管线连接；所述高纯氮气罐的进口通过粉尘过滤器与两变压吸附塔并接的高纯氮气管线连接。

所述高压PSA变压吸附制氮提纯单元由电控***自动控制运行。电控***可在线监测压力、温度、流量、纯度等参数，通过PLC程序实现***自动运行，并使变压吸附***运行中压力冲击大大减小（比如在每次高压氮气进入吸附塔时，通过程序有一个间断缓冲的设置，使塔建立起低压后连续输入高压氮气）。

所述高纯氮气罐的出口管线上连接自动排空***。电控***在线监测氮气压力、流量、纯度，纯度不合格时氮气自动排空；纯度合格以后输入后级设备投入使用。

膜分离制氮单元属于现有常规技术，可根据实际需要进行选择。本发明中提供的膜分离制氮单元包括通过管线依次连接的空压机、冷却器、空气储罐、多级过滤器、电加热器、膜组、纯度调节阀、氮气流量计、氧分析仪、三通放空阀以及单向阀等，该膜分离制氮单元输出的氮气压力控制在1.7MPa、纯度控制在90-95%。。

与现有技术相比，本发明的主要优势在于：

（1）能够获得高压力（1.5MPa≤P≤2.2MPa）、高纯度（99%以上）的氮气。

（2）膜制氮设备制取氮气速度快，设备稳定，且远低于完全采用PSA变压吸附制氮设备的造价，可极大降低用户采购成本。

（3）设备结构简单，配件采购周期短，整套设备生产周期短，可实现批量化生产。

（4）将膜制氮设备生产的高压氮气提纯后再升压，工艺流程合理，接口简单，安全性高。

（5）满足同等需求的条件下，设备成本低，易损件少，整体运行更可靠，市场竞争力强。

（6）配备的高压PSA制氮提纯设备体积小，运输就位方便。

附图说明

图1是高压PSA变压吸附制氮提纯单元的工艺流程图；

图2是高压PSA变压吸附制氮提纯单元的设备布局图；

图3是图2的俯视图；

图4是膜分离制氮单元的工艺流程图；

图5是高压氮气提纯用PSA变压吸附塔的结构示意图；

图中：1.吸附塔A，2.吸附塔B，3.高纯氮气排气控制阀，4.低纯氮气进气控制阀，5.富氧气体排空控制阀，6.粉尘过滤器，7.分子筛，8.筛板，9.瓷球，10.下部阻尼分散器，11.阻尼孔板，12.上部阻尼分散器，13.电控***，14.低纯氮气罐，15.变压吸附塔，16.管路***，17.富氧排空***，18.高纯氮气罐，19.自动排空***，20.三通放空阀，21.空压机，22.冷却器，23.空气储罐，24.多级过滤器，25.电加热器，26.膜组，27.纯度调节阀，28.氮气流量计，29.氧分析仪，30.单向阀。

具体实施方式

结合附图1-5，对本发明作进一步的描述。

实施例1

一种组合式高压氮气提纯设备，包括膜分离制氮单元以及与其通过高压软管连接的高压PSA变压吸附制氮提纯单元；高压PSA变压吸附制氮提纯单元包括通过管路***16依次连接的低纯氮气罐14、变压吸附塔15以及高纯氮气罐18，变压吸附塔15为相互并联的两台；膜分离制氮单元的氮气进口连接低纯氮气罐14，低纯氮气罐14出口连接变压吸附塔15的低纯氮气进气管线，变压吸附塔15的高纯氮气管线连接高纯氮气罐18，高纯氮气罐18的出口上设有自动排空***；整个高压PSA变压吸附制氮提纯单元由电控***13实现自动控制。高压PSA变压吸附制氮提纯单元的工作原理以及操作流程与现有的PSA变压吸附***基本相同，只是进气由空气变为低纯高压的氮气（低纯氮气压力控制在1.7MPa、纯度控制在90-95%）

膜分离制氮单元包括通过管线依次连接的空压机21、冷却器22、空气储罐23、多级过滤器24、电加热器25、膜组26、纯度调节阀27、氮气流量计28、氧分析仪29、三通放空阀20以及单向阀30；膜分离制氮单元的操作流程属于现有技术，在此不再赘述。

实施例2

实施例1中的变压吸附塔选择为高压氮气提纯用PSA变压吸附塔，其包括两台并联的变压吸附塔即吸附塔A1和吸附塔B2，每台变压吸附塔包括塔体以及其底部连接的低纯氮气管线和富氧排空管线、顶部连接的高纯氮气管线以及两塔之间并接的均压管线，每台变压吸附塔内腔均通过筛板8间隔为上、下两部分，其中上部填充有分子筛7、下部填充有瓷球9；变压吸附塔内腔的顶部和底部分别设有上部阻尼分散器12和下部阻尼分散器10，其中上部阻尼分散器12与均压管线连接、下部阻尼分散器10埋于瓷球9中且与低纯氮气管线连接。均压管线上还设有阻尼孔板11。

实施例3

在实施例2的基础上，两台变压吸附塔的低纯氮气管线和富氧排空管线分别并接且共用同一管线与下部阻尼分散器10连接，两台变压吸附塔的高纯氮气管线并接且同时作为均压管线；低纯氮气管线、富氧排空管线以及高纯氮气管线分别设有控制阀，即高纯氮气排气控制阀3、低纯氮气进气控制阀4、富氧气体排空控制阀5。

实施例2和3中高压氮气提纯用PSA变压吸附塔的操作流程分为四个阶段，以此循环工作实现氮气提纯，具体为：

第一阶段：吸附塔A1吸附，吸附塔B2解吸

高纯氮气排气控制阀3、低纯氮气进气控制阀4、富氧气体排空控制阀5控制使吸附塔A1处于低纯氮气进、高纯氮气排，吸附塔B2处于富氧气体排阶段，这个阶段就是吸附塔A1吸附，吸附塔B2解吸阶段。

第二阶段：吸附塔A1向吸附塔B2均压

高纯氮气排气控制阀3、低纯氮气进气控制阀4、富氧气体排空控制阀5控制使吸附塔A1在完成吸附后，将带压高纯氮气输入到吸附塔B中，这个阶段就是吸附塔A1向吸附塔B2均压。

第三阶段：吸附塔B2吸附，吸附塔A1解吸

高纯氮气排气控制阀3、低纯氮气进气控制阀4、富氧气体排空控制阀5控制使吸附塔B2处于低纯氮气进、高纯氮气排，吸附塔A1处于富氧气体排阶段，这个阶段就是吸附塔B2吸附，吸附塔A1解吸阶段。

第四阶段：吸附塔B2向吸附塔A1均压

高纯氮气排气控制阀3、低纯氮气进气控制阀4、富氧气体排空控制阀5控制使吸附塔B2在完成吸附后，将带压高纯氮气输入到吸附塔A1中，这个阶段就是吸附塔B2向吸附塔A1均压。

以上实施例中高压PSA变压吸附制氮提纯单元作为一个单元设备提出，设备的流量、纯度、压力一定。如果需要提纯的流量增加，可相应增加提纯单元的数量来满足使用。这样也便于实现批量化生产。膜分离制氮单元以及高压PSA变压吸附制氮提纯单都是撬装，中间用高压软管连接，便于运输、安装。

本发明的主要创新点在于：

（1）本单元设计吸附压力为1.5MPa≤P≤2.2MPa，利用PSA变压吸附工艺，生产纯度99%以上，1.7MPa的氮气。现有PSA制氮设备吸附压力为1.2MPa以下，只能生产1.0MPa压力的氮气。

（2）吸附塔内部结构属于全新设计，满足设计工作压力2.0MPa工况，布气合理，结构紧凑。下封头加瓷球减小冲击，上部管路通过阻尼分散器散风。

（3）高压PSA制氮提纯单元按模块化设计；可根据用户指标将多个单元组合成***。

（4）本发明利用膜分离制氮生产的高压低纯氮气作为原料气，经本单元提纯后送入后级增压设备加压供用户使用。这个工艺流程可充分利用原有的膜制氮分离设备，可以大大提高老旧设备的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施案例，并不用以限定本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压氮气提纯用PSA变压吸附塔，包括两台并联的变压吸附塔，每台变压吸附塔包括塔体以及其底部连接的低纯氮气管线和富氧排空管线、顶部连接的高纯氮气管线以及两塔之间并接的均压管线，其特征在于：每台变压吸附塔内腔均通过筛板间隔为上、下两部分，其中上部填充有分子筛、下部填充有瓷球；所述变压吸附塔内腔的顶部和/或底部设有气体分散器，其中顶部的气体分散器与均压管线连接、底部的气体分散器埋于瓷球中且与低纯氮气管线连接。

2.根据权利要求1所述的高压氮气提纯用PSA变压吸附塔，其特征在于：所述气体分散器为阻尼分散器，所述阻尼分散器采用多点阻尼式喷头。

3.根据权利要求2所述的高压氮气提纯用PSA变压吸附塔，其特征在于：所述均压管线上设有阻尼孔板。

4.根据权利要求1-3任一所述的高压氮气提纯用PSA变压吸附塔，其特征在于：所述两台变压吸附塔的低纯氮气管线和富氧排空管线分别并接且共用同一管线与塔底的气体分散器连接，所述两台变压吸附塔的高纯氮气管线并接且同时作为均压管线；所述低纯氮气管线、富氧排空管线以及高纯氮气管线分别设有控制阀。

5.一种组合式高压氮气提纯设备，其特征在于：包括膜分离制氮单元以及与其管线连接的高压PSA变压吸附制氮提纯单元；所述高压PSA变压吸附制氮提纯单元包括两台并联的变压吸附塔。

6.根据权利要求5所述的组合式高压氮气提纯设备，其特征在于：所述两台并联的变压吸附塔选择权利要求1-4任一所述的高压氮气提纯用PSA变压吸附塔。

7.根据权利要求6所述的组合式高压氮气提纯设备，其特征在于：所述PSA变压吸附制氮提纯单元还包括低纯氮气罐和高纯氮气罐，所述低纯氮气罐的进口与膜分离制氮单元的氮气出口管线连接、出口与两变压吸附塔并接的低纯氮气管线连接；所述高纯氮气罐的进口通过粉尘过滤器与两变压吸附塔并接的高纯氮气管线连接。

8.根据权利要求6所述的组合式高压氮气提纯设备，其特征在于：所述高压PSA变压吸附制氮提纯单元由电控***自动控制运行。

9.根据权利要求7所述的组合式高压氮气提纯设备，其特征在于：所述高纯氮气罐的出口管线上连接自动排空***。

10.根据权利要求5-9任一所述的组合式高压氮气提纯设备，其特征在于：所述膜分离制氮单元包括通过管线依次连接的空压机、冷却器、空气储罐、多级过滤器、电加热器、膜组、纯度调节阀、氮气流量计、氧分析仪、三通放空阀以及单向阀。