專利名稱：一種帶過冷器單塔制取高純度氮氣的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種氣體生產(chǎn)裝置，尤其涉及一種帶有過冷器的單塔制取高純度 氮氣的裝置。
背景技術(shù)：
氮氣常用來作為隔絕氧氣的保護氣氛使用，常見的應(yīng)用有電燈泡里都灌有氮氣， 因為這樣可以減慢鎢絲的氧化速度，使燈泡經(jīng)久耐用；把貴重而罕有的畫頁、書卷保存在充 滿氮氣的圓筒里；有許多產(chǎn)品也采用充氮包裝，因為蛀蟲在氮氣中不能生存，就無法滋生。 氮氣還可以用作焊接金屬的保護氣?；?、多晶硅、電子行業(yè)對高純氮氣的要求一般為壓力> 0.4MPa，氮氣純度為 99. 999% -99. 9999% ；傳統(tǒng)單塔返流廢氣(富氧氣)膨脹制氮空分流程中，生產(chǎn)帶壓力的 高純氮氣，氮氣壓力0. 4MPa至1. 2MPa，氮氣提取率為43% -53%?！禟DN-150/10Y型高純氮設(shè)備的研制》(深冷技術(shù)，1986年03期)，介紹分析了回流 比對氮氣的提取率的重要性，但未能提出提高精餾塔回流比的方法。沈淵達和陳錫順在《低壓返流膨脹高氮空分設(shè)備最佳參數(shù)選擇》(深冷技術(shù)，1991 年02期)一文中，在比較了國內(nèi)及目前國外返流膨脹高氮空分設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟指標的基礎(chǔ) 上，通過理論分析，提出了冷凝蒸發(fā)器壓力及液體空氣純度是對空分設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟指標 起決定作用的兩個關(guān)鍵參數(shù)，并提出了作圖求取最佳參數(shù)的方法，但文章未給出如何提高 塔釜液體空氣純度的方法。帶有液相的空氣進入精餾塔，液相部分向下流動不參與精餾，對氮氣提取率提高 是無效的。傳統(tǒng)的單塔返流制取高純氮流程空氣經(jīng)主換熱器進入精餾塔時是氣液飽和狀態(tài) 或含有少量液體，塔釜液體空氣的氧含量低，氮氣提取率低，塔釜抽取的液體空氣經(jīng)過節(jié)流 閥直接進入冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)，未進行過冷；或富氧液體空氣經(jīng)過與冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)后的富 氧氣換熱，過冷不充分使氮氣提取率降低。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種帶過冷器單塔制取高純度氮氣的裝置，設(shè)置有過冷 器，并通過過冷器的冷量轉(zhuǎn)移使入塔空氣過熱，同時大幅度增大富氧液體空氣過冷度使精 餾塔頂冷凝的液氮增多，從而提高了氮氣提取率，并實現(xiàn)低成本率制取帶壓力的氮氣的目 的。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)是一種帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高 純度氮氣的裝置，包括主換熱器上段、主換熱器下段、過冷器、精餾塔、冷凝蒸發(fā)器；其中精餾塔塔釜入口處的管路依次連接主換熱器下段和主換熱器上段，精餾塔塔釜出 口管路依次連接過冷器和冷凝蒸發(fā)器；所述的精餾塔塔頂部出口管路依次連接主換熱器下段和主換熱器上段，之后通向 氮氣儲槽，在精餾塔塔頂部出口至過冷器之間的管路上還設(shè)有通向冷凝蒸發(fā)器的管路；[0011]所述的冷凝蒸發(fā)器底部出口管路通向精餾塔塔頂部。根據(jù)所述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置，冷凝蒸發(fā)器頂部出口管 路依次通過過冷器、主換熱器下段和主換熱器上段，然后連接裝置外面。上述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置，其中，還包括膨脹機，所述冷 凝蒸發(fā)器頂部出口管路在經(jīng)過主換熱器下段之后，分為兩條管路，其中一條管路通過主換 熱器上段連接裝置外；另一條管路依次通過膨脹機、過冷器和主換熱器下段，然后通過主換 熱器上段連接裝置外面。上述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置，其中，膨脹機優(yōu)選為透平膨 脹機。上述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置，其中，從精餾塔頂部出口管 道依次通過過冷器、主換熱器下段和主換熱器上段后，連接裝置外面。上述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置，其中，所述冷凝蒸發(fā)器底部 出口管道分為兩條，其中一條管道進入精餾塔，另一條管道連接液氮儲存設(shè)備。根據(jù)上述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置的一種優(yōu)選實施方式，其 中，所述冷凝蒸發(fā)器設(shè)置在精餾塔上方，并通過外殼與精餾塔組成一體。根據(jù)上述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置的一種優(yōu)選實施方式，其 中，所述過冷器與主換熱器下段連接組成一整體結(jié)構(gòu)的換熱器。上述帶過冷器單塔廢氣膨脹制取高純度氮氣的裝置，其中，所述精餾塔內(nèi)塔板數(shù) 優(yōu)選為60 130塊。純化后的空氣經(jīng)主換熱器冷卻在達到液化溫度前(過熱狀態(tài)，未達到該壓力下的 液化溫度)進入精餾塔塔釜，經(jīng)精餾塔分離成氮氣和富氧液態(tài)空氣。氮氣進入精餾塔上部 的冷凝蒸發(fā)器冷凝成液氮，液氮回流至精餾塔頂部作為回流液，部分液氮分別作為液體產(chǎn) 品輸出。在精餾塔底部設(shè)置有富氧液抽口(即精餾塔塔釜出口 )，該抽口連接富氧液管道進 入過冷器，過冷度為3-18°C。被膨脹后的富氧氣、塔頂?shù)獨饧袄淠舭l(fā)器蒸發(fā)的富氧氣三股 介質(zhì)同時冷卻而過冷。過冷后的富氧液經(jīng)節(jié)流閥進入到冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)，使精餾塔頂部的氮氣部分冷 凝成液氮；蒸發(fā)后的富氧氣從冷凝蒸發(fā)器上部抽出。從精餾塔頂部抽出部分氮氣經(jīng)過冷器、 主換熱器復(fù)熱至常溫作為產(chǎn)品輸出。從冷凝蒸發(fā)器上部抽出的富氧氣經(jīng)過冷器、主換熱器 復(fù)熱后，進入透平膨脹機膨脹補充裝置冷量。膨脹后的富氧氣進入過冷器與氮氣及冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)的富氧氣一起冷卻過過冷 器的富氧液體空氣，富氧氣復(fù)熱后繼續(xù)進入主換熱器復(fù)熱至常溫，作為純化器的再生氣體， 多余富氧氣可放空或用作他用。主換熱器分成上、下段二個換熱器，進入膨脹機的富氧氣從主換熱器的下段的上 端抽出進入膨脹機。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點可實現(xiàn)低成本地制取帶壓力的氮氣，在氮 氣壓力0. 45-0. 8MPa時(< Ippm O2)的氮氣提取率達56-60%，比不帶過冷器的裝置的氮 氣提取率的43-53%提高了 5-8%。
圖1是本發(fā)明的一種帶過冷器單塔制取高純度氮氣的裝置實施例1的連接示意 圖。圖2是本發(fā)明的一種帶過冷器單塔制取高純度氮氣的裝置實施例2的連接示意 圖。圖3是本發(fā)明的一種帶過冷器單塔制取高純度氮氣的裝置實施例4的連接示意 圖。圖中1為主換熱器上段、2為主換熱器下段、3為過冷器、4為冷凝蒸發(fā)器、5為精餾 塔、6為節(jié)流閥、7為透平膨脹機、8是一體結(jié)構(gòu)換熱器；整體結(jié)構(gòu)的換熱器管道101內(nèi)為純 化后的壓縮空氣、管道102內(nèi)為進入精餾塔的空氣、管道103內(nèi)為富氧液體空氣(以下簡稱 富氧液空)、管道104內(nèi)為過冷后的富氧液體空氣、管道105內(nèi)為節(jié)流后的富氧液體空氣、 管道201內(nèi)為富氧氣、管道202內(nèi)為復(fù)熱的富氧氣、管道203內(nèi)為進入膨脹機的富氧氣、管 道204內(nèi)為膨脹后的富氧氣、管道205內(nèi)為旁通的多余富氧氣、管道206內(nèi)為混合后的富氧 氣、管道207內(nèi)為復(fù)熱至常溫的富氧氣、管道301內(nèi)為塔頂?shù)獨?、管?02內(nèi)為進入冷凝蒸 發(fā)器的氮氣、管道303內(nèi)為冷凝蒸發(fā)器冷凝液氮、管道304內(nèi)為液氮產(chǎn)品、管道305內(nèi)為進 入出精餾塔的氮氣產(chǎn)品、管道306內(nèi)為復(fù)熱至常溫的氮氣產(chǎn)品。
具體實施方式
實施例1一種帶過冷器單塔制取高純氮的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，純化后的空氣經(jīng)壓縮 至0. 9MPa，純化后的壓縮空氣在空氣預(yù)冷系統(tǒng)中冷卻，進入分子篩純化系統(tǒng)去除二氧化碳 和水分之后，在管道101內(nèi)純化后的壓縮空氣為4790NM3/h、0. 86MPa，后進入分餾塔冷箱中 在主換熱器上段1、下段2換熱降溫至-160°C左右，過熱度為6°C左右；進入精餾塔5中，空 氣在精餾塔5中被分離成氮氣(走管道301)和富氧液空(走管道10 ，精餾塔5的操作壓 力在0. 84MPa左右。精餾塔5塔頂?shù)獨夥侄?走管道305及管道30 ，一股進入冷凝蒸 發(fā)器4被液化成液氮(走管道30 ，進入精餾塔5中，管道304內(nèi)液氮以100NM3/h抽出作 為液體產(chǎn)品。管道305內(nèi)氮氣以2000NM3/h經(jīng)過冷器3、主換熱器下段2、主換熱器上段1復(fù)熱 至常溫作為氮氣產(chǎn)品輸出，氮氣壓力為0. SMPa0低溫氮氣進入過冷器3進行冷量交換，將冷 量補充給氮氣生產(chǎn)裝置。管道103內(nèi)富氧液體空氣從精餾塔5塔釜抽取富氧液，溫度在-166°C左右，進入過 冷器過冷至-178°C左右，經(jīng)節(jié)流閥6降壓后進入冷凝蒸發(fā)器4中蒸發(fā)，將過冷器3的冷量帶 入冷凝蒸發(fā)器4。同時本實用新型還可以包括膨脹機(以透平膨脹機7為例)，管道201內(nèi)蒸發(fā)后的 富氧氣經(jīng)過冷器3、主換熱器下2，復(fù)熱后進入透平膨脹機7中膨脹至接近大氣壓，補充裝置 的冷量。管道204內(nèi)膨脹后的富氧氣回到過冷器3中復(fù)熱、再經(jīng)主換熱器下2、主換熱器上 1中復(fù)熱至常溫出裝置，作為純化器的再生氣體，多余富氧氣可放空。本設(shè)備增加的過冷器3后，使被膨脹后的富氧氣、塔頂?shù)獨饧袄淠舭l(fā)器4蒸發(fā)的富氧氣三股介質(zhì)同時冷卻而過冷。將原本浪費的冷量轉(zhuǎn)移進入精餾塔，大幅度增大富氧液 體空氣過冷度使精餾塔5頂冷凝的液氮增多，從而提高了氮氣提取率，并實現(xiàn)低成本率制 取帶壓力的氮氣的目的。實施例2—種帶過冷器單塔制取高純氮的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，與實施例1的區(qū)別是把 主換熱器下段2與過冷器3設(shè)計成為一個一體化結(jié)構(gòu)換熱器8，即一體化結(jié)構(gòu)換熱器8的作 用等同于主換熱器下段2和過冷器3。采用一體結(jié)構(gòu)換熱器8可以減少管道連接，同時原本在主換熱器下段2和過冷器 3之間管路上損失的冷量也將得到充分的利用。實施例3一種帶過冷器單塔制取高純氮的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在實施例1的基礎(chǔ)上， 冷凝蒸發(fā)器4為不帶殼體的結(jié)構(gòu)，富氧液體空氣直接通過封頭進入板翅式換熱器中蒸發(fā)。 針對不同現(xiàn)場環(huán)境情況，采用富氧液體空氣直接通過封頭進入板翅式換熱器可便 于維修工人對設(shè)備的檢修，同時也能達到實現(xiàn)低成本率制取帶壓力的氮氣的目的。實施例4一種帶過冷器單塔制取高純氮的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，與實施例3的區(qū)別是， 冷凝蒸發(fā)器4通過殼體與精餾塔組成一個整體結(jié)構(gòu)。該設(shè)計將冷凝蒸發(fā)器與精餾塔連為一體，減少了管路連接，安裝更為簡單。以上對本實用新型的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并 不限制于以上描述的具體實施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進行的等同修 改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。
權(quán)利要求1.一種帶過冷器單塔制取高純度氮氣的裝置，其特征在于包括主換熱器上段(1)、主 換熱器下段O)、過冷器(3)、精餾塔(5)、冷凝蒸發(fā)器；精餾塔( 塔釜入口處的管路依次連接主換熱器下段( 和主換熱器上段(1)，精餾塔 (5)塔釜出口管路依次連接過冷器C3)和冷凝蒸發(fā)器；所述的精餾塔( 塔頂部出口管路依次連接主換熱器下段( 和主換熱器上段(1)，之 后通向氮氣儲槽，在精餾塔( 塔頂部出口至過冷器C3)之間的管路上還設(shè)有通向冷凝蒸 發(fā)器⑷的管路；所述的冷凝蒸發(fā)器(4)底部出口管路通向精餾塔( 塔頂部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，冷凝蒸發(fā)器頂部出口 管路依次通過過冷器(3)、主換熱器下段( 和主換熱器上段(1)，然后連接裝置外面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，還包括膨脹機(7)，所 述冷凝蒸發(fā)器(4)頂部出口管路在經(jīng)過主換熱器下段( 之后，分為兩條管路，其中一條管 路通過主換熱器上段(1)連接裝置外；另一條管路依次通過膨脹機(7)、過冷器C3)和主換 熱器下段O)，然后通過主換熱器上段(1)連接裝置外面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，所述膨脹機(7)為透平 膨脹機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，從精餾塔( 頂部 出口管道依次通過過冷器(3)、主換熱器下段( 和主換熱器上段(1)后，連接裝置外面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，所述冷凝蒸發(fā)器(4)設(shè) 置在精餾塔( 上方，并通過外殼與精餾塔( 組成一體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，所述冷凝蒸發(fā)器(4)底 部出口管道分為兩條，其中一條管道進入精餾塔(5)，另一條管道連接液氮儲存設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，所述過冷器C3)與主換 熱器下段(2)連接組成一整體結(jié)構(gòu)的換熱器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制取高純度氮氣的裝置，其特征在于，所述精餾塔( 內(nèi)塔板 數(shù)為60 130塊。
專利摘要本實用新型提供一種帶過冷器單塔制取高純度氮氣的裝置，包括主換熱器上段、主換熱器下段、膨脹機、精餾塔和在精餾塔上部的冷凝蒸發(fā)器，通過增加過冷器這一設(shè)備，使得被膨脹后的富氧氣、塔頂?shù)獨饧袄淠舭l(fā)器蒸發(fā)的富氧氣三股介質(zhì)同時冷卻而過冷，不但減少管道的連接，也提高了換熱的效率，也可減少對熱量的需求。通過本裝置可實現(xiàn)低成本地制取帶壓力的氮氣，在氮氣壓力0.45-0.8MPa時(＜1ppm O2)的氮氣提取率達56-60％，比不帶過冷器的裝置的氮氣提取率的43-53％提高了5-8％。
文檔編號F25J3/04GK201885514SQ201020654220
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者俞建, 周大榮, 陳熙靜 申請人:上海啟元科技發(fā)展有限公司, 上海啟元空分技術(shù)發(fā)展有限公司