專利名稱：交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及空氣分離領域，具體涉及一種生產氮氣和液氮的空氣分離裝置， 特別涉及一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置。
背景技術：
空氣分離，簡稱空分，利用空氣中各組分物理性質不同，采用深度冷凍、吸附、膜分離等方法從空氣中分離出氧氣、氮氣，或同時提取氦氣、氬氣等稀有氣體的過程。空氣分離設備就是將空氣液化、精餾、最終分離成為氧、氮和其他有用氣體的氣體分離設備，簡稱空分裝置。空氣曾被稱為“永久氣體”到19世紀末，人們發現在深低溫下空氣也能液化，并因氧、氮沸點不同，可以從液化空氣中分離出氧氣和氮氣。第一臺商品化的制氧機于1903年制成，它最初只是用于金屬的氣焊和切割。30年代末，氮肥工業需要氮氣，制氧機發展到能同時生產氧氣和氮氣，改稱空氣分離設備。純氮氣是石油化工，合成纖維，合成氨，浮法玻璃，扎鋼，半導體工業和油田注氮等不可缺少的原料氣和保護氣。70年代末國內第一個只生產氮氣的空氣分離設備誕生，稱之為高純氮空氣分離裝置，即高純氮空分裝置是指專門制取純氮氣的空分設備。近幾年隨著我國化工、電子行業的迅猛發展，用戶對高純氮空氣分離裝置變工況運行要求越來越復雜，尤其是對液氮產品的需求更大，而常規高純氮空分裝置在生產氮氣產品的同時只能生產或不產少量液氮產品。若增大液氮量的制取，勢必減少氮氣產量；制取最大液氮量，氮氣產量為零，換熱器氮側通道無氣體通過，換熱器換熱效率將急劇下降，嚴重影響換熱效果，工況無法實現，因此不能滿足不同行業對高純氮空分裝置生產大液體工況的需求。
發明內容針對現有技術的不足，本實用新型提供一種結構合理、可交替生產氮氣和液氮產品的交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置。本實用新型的技術方案是這樣實現一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，包括空氣過濾器、與空氣過濾器相連通的空氣壓縮機、與空氣壓縮機相連通的預冷系統、與預冷系統相連通的純化系統、以及設置在單獨冷箱內的包括主換熱器、液化器、過冷器、單級精餾塔、主冷凝蒸發器、膨脹機的分餾塔系統，所述的純化系統通過原料空氣管道 100與主換熱器的換熱通道Al和A2相連通，A2與液化器的換熱通道A3和A4相連通，A4 與單級精餾塔底部相連通，在單級精餾塔上方設置有主冷凝蒸發器，主冷凝蒸發器通過液氮管道分別與產品液氮管道101和單級精餾塔相連通，單級精餾塔與第三氮氣管道105和設置有第一閥門的第一氮氣管道102相連通，第三氮氣管道105與主冷凝蒸發器相連通，第一氮氣管道102與第四氮氣管道110相連通，第四氮氣管道110與液化器的換熱通道m和 N2相連通，N2與主換熱器的換熱通道N3和N4相連通，N4與第二氮氣管道103相連通；在單級精餾塔底部設置有富氧液空管道106，富氧液空管道106穿過過冷器并經節流閥與主冷凝蒸發器相連通，在主冷凝蒸發器頂部設置有第二污氮氣管道107，第二污氮氣管道107與過冷器的換熱通道WNl和WN2相連通，WN2與液化器的換熱通道WN3和WN4相連通，WN4與膨脹機膨脹端相連通，膨脹機膨脹端通過管道分別與設置有第二閥門的第三污氮氣管道108和第四污氮氣管道109相連通，第三污氮氣管道108與第四氮氣管道110相連通，第四污氮氣管道109與過冷器的換熱通道WN5和WN6相連通，WN6與液化器的換熱通道WN7和WN8相連通，WN8與換熱器的換熱通道WN9和WNlO相連通，WNlO與第一污氮氣管道104相連通，第一污氮氣管道104與設置有污氮氣放空管道111的純化系統相連通。所述的第一污氮氣管道104通過管道與膨脹機風機端和污氮氣放空管道111相連
ο所述的空氣壓縮機的工作壓力為0. 4MPa至1. OMPa0所述的第二氮氣管道103出冷箱的氮氣壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。所述的產品液氮管道101出冷箱的液氮壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。本實用新型具有如下的積極效果本實用新型利用了返流廢氣膨脹高純氮流程， 將液化器進口端污氮管路和氮氣管路連通并加裝閥門，使換熱器氮氣和污氮氣管道可切換，實現了高純氮空氣分離裝置可交替生產氮氣和液氮產品，滿足了不同行業對高純氮空分裝置多工況運行及生產大液體工況的需求。因此本實用新型如能推廣應用，必將獲得極大的社會效益。
圖1為本實用新型系統結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，包括空氣過濾器1、與空氣過濾器1相連通的空氣壓縮機2、與空氣壓縮機2相連通的預冷系統15、與預冷系統15 相連通的純化系統16、以及設置在單獨冷箱3內的包括主換熱器4、液化器5、過冷器8、單級精餾塔6、主冷凝蒸發器7、膨脹機的分餾塔系統，所述的純化系統15通過原料空氣管道 100與主換熱器4的換熱通道Al和A2相連通，A2與液化器5的換熱通道A3和A4相連通， A4與單級精餾塔6底部相連通，在單級精餾塔6上方設置有主冷凝蒸發器7，主冷凝蒸發器 7通過液氮管道分別與產品液氮管道101和單級精餾塔6相連通，單級精餾塔6與第三氮氣管道105和設置有第一閥門12的第一氮氣管道102相連通，第三氮氣管道105與主冷凝蒸發器7相連通，第一氮氣管道102與第四氮氣管道110相連通，第四氮氣管道110與液化器5的換熱通道附和N2相連通，N2與主換熱器4的換熱通道N3和N4相連通，N4與第二氮氣管道103相連通；在單級精餾塔6底部設置有富氧液空管道106，富氧液空管道106 穿過過冷器8并經節流閥14與主冷凝蒸發器7相連通，在主冷凝蒸發器7頂部設置有第二污氮氣管道107，第二污氮氣管道107與過冷器8的換熱通道WNl和WN2相連通，WN2與液化器5的換熱通道WN3和WN4相連通，WN4與膨脹機膨脹端10相連通，膨脹機膨脹端10通過管道分別與設置有第二閥門13的第三污氮氣管道108和第四污氮氣管道109相連通，第三污氮氣管道108與第四氮氣管道110相連通，第四污氮氣管道109與過冷器8的換熱通道WN5和WN6相連通，WN6與液化器5的換熱通道WN7和WN8相連通，WN8與換熱器4的換熱通道WN9和WNlO相連通，WNlO與第一污氮氣管道104相連通，第一污氮氣管道104與設置有污氮氣放空管道111的純化系統相連通。所述的第一污氮氣管道104通過管道與膨脹機風機端9和污氮氣放空管道111相連通。所述的空氣壓縮機2的工作壓力為0. 4ΜΙ^至1. OMPa0所述的第二氮氣管道103出冷箱的氮氣壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。所述的產品液氮管道101出冷箱的液氮壓力為0. 3MPa 至 0. 9MPa。本實用新型利用上述裝置交替生產氮氣和液氮的空氣分離方法如下1)在生產氮氣時，首先開啟第一閥門12，關閉第二閥門13，原料空氣經空氣過濾器1去除灰塵和雜質，然后經空氣壓縮機2壓縮后去純化系統15去除空氣中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氫化合物，然后通過原料空氣管道100與主換熱器4和液化器5換熱，被冷卻后進入單級精餾塔6底部，作為上升氣體參加精餾，原料空氣精餾后在單級精餾塔6頂部和底部分別得到得到高純度的氮氣和富氧液空，單級精餾塔6底部的富氧液空通過富氧液空管道106穿過過冷器8并經節流閥14后與主冷凝蒸發器7相連通，作為主冷凝蒸發器 7的蒸發側富氧液空，單級精餾塔6頂部的氮氣一部分通過第三氮氣管道105送入主冷凝蒸發器7冷凝，單級精餾塔6頂部的另一部分氮氣通過第一氮氣管道102，經第四氮氣管道 110與液化器5合主換熱器4換熱后經第二氮氣管道103送出冷箱，通過第三氮氣管道105 送入主冷凝蒸發器7冷凝的氮氣與蒸發側富氧液空換熱后部分產品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到單級精餾塔6重新參加精餾，單級精餾塔6內的蒸發側富氧液空與氮氣換熱后蒸發為污氮氣，污氮氣通過第二污氮氣管道107經過冷器8和液化器5換熱后進入膨脹機膨脹端10膨脹，膨脹后的氣體經過冷器8、液化器5和主換熱器4換熱后經第一污氮氣管道104出冷箱，然后進入純化系統15。2)在生產液氮時，首先關閉第一閥門12，開啟第二閥門13，原料空氣經空氣過濾器1去除灰塵和雜質，然后經空氣壓縮機2壓縮后去純化系統15去除空氣中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氫化合物，然后通過原料空氣管道100與主換熱器4和液化器5換熱，被冷卻后進入單級精餾塔6底部，作為上升氣體參加精餾，原料空氣精餾后在單級精餾塔6頂部和底部分別得到得到高純度的氮氣和富氧液空，單級精餾塔6底部的富氧液空通過富氧液空管道106穿過過冷器8并經節流閥14后與主冷凝蒸發器7相連通，作為主冷凝蒸發器7 的蒸發側富氧液空，單級精餾塔6頂部的氮氣一部分通過第三氮氣管道105送入主冷凝蒸發器7冷凝，冷凝后的氮氣與蒸發側富氧液空換熱后部分產品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到單級精餾塔6重新參加精餾，單級精餾塔6內的蒸發側富氧液空與氮氣換熱后蒸發為污氮氣，污氮氣通過第二污氮氣管道107經過冷器8和液化器5換熱后進入膨脹機膨脹端10膨脹，膨脹后的一部分氣體通過第三污氮氣管道108后進入第四氮氣管道110與液化器5合主換熱器4換熱后經第二氮氣管道103送出冷箱，膨脹后的另一部分氣體經過冷器8、液化器5和主換熱器4換熱后經第一污氮氣管道104出冷箱，然后進入純化系統15。實施例1 如圖1所示，一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，包括空氣過濾器1、與空氣過濾器1相連通的空氣壓縮機2、與空氣壓縮機2相連通的預冷系統15、與預冷系統15相連通的純化系統16、以及設置在單獨冷箱3內的包括主換熱器4、液化器5、過冷器8、單級精餾塔6、主冷凝蒸發器7、膨脹機的分餾塔系統，所述的純化系統15通過原料空氣管道100與主換熱器4的換熱通道Al和A2相連通，A2與液化器5的換熱通道A3和A4相連通，A4與單級精餾塔6底部相連通，在單級精餾塔6上方設置有主冷凝蒸發器7，主冷凝蒸發器7通過液氮管道分別與產品液氮管道101和單級精餾塔6相連通，單級精餾塔6與第三氮氣管道105和設置有第一閥門12的第一氮氣管道102相連通，第三氮氣管道105與主冷凝蒸發器7相連通，第一氮氣管道102與第四氮氣管道110相連通，第四氮氣管道110 與液化器5的換熱通道附和N2相連通，N2與主換熱器4的換熱通道N3和N4相連通，N4 與第二氮氣管道103相連通；在單級精餾塔6底部設置有富氧液空管道106，富氧液空管道 106穿過過冷器8并經節流閥14與主冷凝蒸發器7相連通，在主冷凝蒸發器7頂部設置有第二污氮氣管道107，第二污氮氣管道107與過冷器8的換熱通道WNl和WN2相連通，WN2 與液化器5的換熱通道WN3和WN4相連通，WN4與膨脹機膨脹端10相連通，膨脹機膨脹端 10通過管道分別與設置有第二閥門13的第三污氮氣管道108和第四污氮氣管道109相連通，第三污氮氣管道108與第四氮氣管道110相連通，第四污氮氣管道109與過冷器8的換熱通道WN5和WN6相連通，WN6與液化器5的換熱通道WN7和WN8相連通，WN8與換熱器4 的換熱通道WN9和WNlO相連通，WNlO與第一污氮氣管道104相連通，第一污氮氣管道104 與設置有污氮氣放空管道111的純化系統相連通。所述的第一污氮氣管道104通過管道與膨脹機風機端9和污氮氣放空管道111相連通。所述的空氣壓縮機2的工作壓力為0. 4MPa 至1. OMPa0所述的第二氮氣管道103出冷箱的氮氣壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。所述的產品液氮管道101出冷箱的液氮壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。本實用新型利用上述裝置交替生產氮氣和液氮的空氣分離方法如下在生產氮氣時，首先開啟第一閥門12，關閉第二閥門13，原料空氣經空氣過濾器1去除灰塵和雜質，然后經空氣壓縮機2壓縮后去純化系統15去除空氣中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氫化合物， 然后通過原料空氣管道100與主換熱器4和液化器5換熱，被冷卻后進入單級精餾塔6底部，作為上升氣體參加精餾，原料空氣精餾后在單級精餾塔6頂部和底部分別得到得到高純度的氮氣和富氧液空，單級精餾塔6底部的富氧液空通過富氧液空管道106穿過過冷器8 并經節流閥14后與主冷凝蒸發器7相連通，作為主冷凝蒸發器7的蒸發側富氧液空，單級精餾塔6頂部的氮氣一部分通過第三氮氣管道105送入主冷凝蒸發器7冷凝，單級精餾塔6 頂部的另一部分氮氣通過第一氮氣管道102，經第四氮氣管道110與液化器5合主換熱器4 換熱后經第二氮氣管道103送出冷箱，通過第三氮氣管道105送入主冷凝蒸發器7冷凝的氮氣與蒸發側富氧液空換熱后部分產品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到單級精餾塔 6重新參加精餾，單級精餾塔6內的蒸發側富氧液空與氮氣換熱后蒸發為污氮氣，污氮氣通過第二污氮氣管道107經過冷器8和液化器5換熱后進入膨脹機膨脹端10膨脹，膨脹后的氣體經過冷器8、液化器5和主換熱器4換熱后經第一污氮氣管道104出冷箱，然后進入純化系統15。實施例2 如圖1所示，一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，包括空氣過濾器1、與空氣過濾器1相連通的空氣壓縮機2、與空氣壓縮機2相連通的預冷系統15、 與預冷系統15相連通的純化系統16、以及設置在單獨冷箱3內的包括主換熱器4、液化器 5、過冷器8、單級精餾塔6、主冷凝蒸發器7、膨脹機的分餾塔系統，所述的純化系統15通過原料空氣管道100與主換熱器4的換熱通道Al和A2相連通，A2與液化器5的換熱通道A3 和A4相連通，A4與單級精餾塔6底部相連通，在單級精餾塔6上方設置有主冷凝蒸發器7， 主冷凝蒸發器7通過液氮管道分別與產品液氮管道101和單級精餾塔6相連通，單級精餾塔6與第三氮氣管道105和設置有第一閥門12的第一氮氣管道102相連通，第三氮氣管道 105與主冷凝蒸發器7相連通，第一氮氣管道102與第四氮氣管道110相連通，第四氮氣管道110與液化器5的換熱通道m和N2相連通，N2與主換熱器4的換熱通道N3和N4相連通，N4與第二氮氣管道103相連通；在單級精餾塔6底部設置有富氧液空管道106，富氧液空管道106穿過過冷器8并經節流閥14與主冷凝蒸發器7相連通，在主冷凝蒸發器7頂部設置有第二污氮氣管道107，第二污氮氣管道107與過冷器8的換熱通道WNl和WN2相連通，WN2與液化器5的換熱通道WN3和WN4相連通，WN4與膨脹機膨脹端10相連通，膨脹機膨脹端10通過管道分別與設置有第二閥門13的第三污氮氣管道108和第四污氮氣管道 109相連通，第三污氮氣管道108與第四氮氣管道110相連通，第四污氮氣管道109與過冷器8的換熱通道WN5和WN6相連通，WN6與液化器5的換熱通道WN7和WN8相連通，WN8與換熱器4的換熱通道WN9和WNlO相連通，WNlO與第一污氮氣管道104相連通，第一污氮氣管道104與設置有污氮氣放空管道111的純化系統相連通。所述的第一污氮氣管道104通過管道與膨脹機風機端9和污氮氣放空管道111相連通。所述的空氣壓縮機2的工作壓力為0. 4ΜΙ^至1. OMPa0所述的第二氮氣管道103出冷箱的氮氣壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。所述的產品液氮管道101出冷箱的液氮壓力為0. 3MPa 至 0. 9MPa。本實用新型利用上述裝置交替生產氮氣和液氮的空氣分離方法如下在生產液氮時，首先關閉第一閥門12，開啟第二閥門13，原料空氣經空氣過濾器1去除灰塵和雜質，然后經空氣壓縮機2壓縮后去純化系統15去除空氣中的水分、二氧化碳、乙炔和碳氫化合物， 然后通過原料空氣管道100與主換熱器4和液化器5換熱，被冷卻后進入單級精餾塔6底部，作為上升氣體參加精餾，原料空氣精餾后在單級精餾塔6頂部和底部分別得到得到高純度的氮氣和富氧液空，單級精餾塔6底部的富氧液空通過富氧液空管道106穿過過冷器 8并經節流閥14后與主冷凝蒸發器7相連通，作為主冷凝蒸發器7的蒸發側富氧液空，單級精餾塔6頂部的氮氣一部分通過第三氮氣管道105送入主冷凝蒸發器7冷凝，冷凝后的氮氣與蒸發側富氧液空換熱后部分產品液氮出冷箱3，另外一部分液氮回流到單級精餾塔 6重新參加精餾，單級精餾塔6內的蒸發側富氧液空與氮氣換熱后蒸發為污氮氣，污氮氣通過第二污氮氣管道107經過冷器8和液化器5換熱后進入膨脹機膨脹端10膨脹，膨脹后的一部分氣體通過第三污氮氣管道108后進入第四氮氣管道110與液化器5合主換熱器4換熱后經第二氮氣管道103送出冷箱，膨脹后的另一部分氣體經過冷器8、液化器5和主換熱器4換熱后經第一污氮氣管道104出冷箱，然后進入純化系統15。實施例3:如圖1所示，所述的第一閥門12，第二閥門13可以是手動閥，也可以是電磁閥。常規高純氮空分裝置在生產氮氣產品的同時只能生產少量液氮產品，或不產液氮產品。若增大液氮量的制取，勢必減少氮氣產量；制取最大液氮量，氮氣產量為零，換熱器氮側通道無氣體通過，換熱器換熱效率將急劇下降，嚴重影響換熱效果，工況無法實現，因此不能滿足不同行業對高純氮空分裝置生產大液體工況的需求。本實用新型提供一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，在冷箱3內液化器5 的氮氣進口管道和污氮氣進口管道的進口端部增加第一閥門12，第二閥門13，并且將兩管道連接使之相通。[0028] 當空分裝置需生產液氮工況時，將閥門12關閉，閥門13打開，即液化器5的換熱通道m-N2和主換熱器4的換熱通道N3-N4，生產最大液氮工況時通道流體介質為污氮氣， 而不是氮氣，即可解決制取最大液氮量時換熱器換熱效率急劇下降的問題；當空分裝置生產氮氣工況時，將閥門12打開，閥門13關閉即可滿足該工況。
權利要求1.一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，包括空氣過濾器(1)、與空氣過濾器(1) 相連通的空氣壓縮機(2)、與空氣壓縮機(2)相連通的預冷系統(15)、與預冷系統(15)相連通的純化系統(16)、以及設置在單獨冷箱(3)內的包括主換熱器(4)、液化器(5)、過冷器 (8)、單級精餾塔(6)、主冷凝蒸發器(7)、膨脹機的分餾塔系統，其特征在于所述的純化系統(15)通過原料空氣管道100與主換熱器(4)的換熱通道Al和A2相連通，A2與液化器 (5)的換熱通道A3和A4相連通，A4與單級精餾塔(6)底部相連通，在單級精餾塔(6)上方設置有主冷凝蒸發器(7)，主冷凝蒸發器(7)通過液氮管道分別與產品液氮管道101和單級精餾塔(6)相連通，單級精餾塔(6)與第三氮氣管道105和設置有第一閥門(12)的第一氮氣管道102相連通，第三氮氣管道105與主冷凝蒸發器(7)相連通，第一氮氣管道102與第四氮氣管道110相連通，第四氮氣管道110與液化器(5)的換熱通道m和N2相連通，N2 與主換熱器(4)的換熱通道N3和N4相連通，N4與第二氮氣管道103相連通；在單級精餾塔(6)底部設置有富氧液空管道106，富氧液空管道106穿過過冷器(8)并經節流閥(14)與主冷凝蒸發器(7)相連通，在主冷凝蒸發器(7)頂部設置有第二污氮氣管道107，第二污氮氣管道107與過冷器(8)的換熱通道WNl和WN2相連通，WN2與液化器(5) 的換熱通道WN3和WN4相連通，WN4與膨脹機膨脹端(10)相連通，膨脹機膨脹端(10)通過管道分別與設置有第二閥門(13)的第三污氮氣管道108和第四污氮氣管道109相連通，第三污氮氣管道108與第四氮氣管道110相連通，第四污氮氣管道109與過冷器(8)的換熱通道WN5和WN6相連通，WN6與液化器(5)的換熱通道WN7和WN8相連通，WN8與換熱器(4) 的換熱通道WN9和WNlO相連通，WNlO與第一污氮氣管道104相連通，第一污氮氣管道104 與設置有污氮氣放空管道111的純化系統相連通。
2.根據權利要求1所述的交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，其特征在于所述的第一污氮氣管道104通過管道與膨脹機風機端(9)和污氮氣放空管道111相連通。
3.根據權利要求1所述的交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，其特征在于所述的空氣壓縮機(2)的工作壓力為0. 4MPa至1. OMPa0
4.根據權利要求1所述的交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，其特征在于所述的第二氮氣管道103出冷箱的氮氣壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。
5.根據權利要求1所述的交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，其特征在于所述的產品液氮管道101出冷箱的液氮壓力為0. 3MPa至0. 9MPa。
專利摘要本實用新型涉及一種交替生產氮氣和液氮的空氣分離裝置，在冷箱3內液化器5的氮氣進口管道和污氮氣進口管道的進口端部增加第一閥門12，第二閥門13，并且將兩管道連接使之相通；當空分裝置需生產液氮工況時，將閥門12關閉，閥門13打開，即液化器5的換熱通道N1-N2和主換熱器4的換熱通道N3-N4,生產最大液氮工況時通道流體介質為污氮氣，而不是氮氣，即可解決制取最大液氮量時換熱器換熱效率急劇下降的問題；當空分裝置生產氮氣工況時，將閥門12打開，閥門13關閉即可滿足該工況。
文檔編號F25J3/04GK202119205SQ20112019537
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月13日 優先權日2011年6月13日
發明者張金華, 李美玲, 王連喜, 馬源 申請人:開封空分集團有限公司