技術領域：

本發(fā)明涉及機械設備領域，尤其涉及一種雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機及其制氮方法。

背景技術：
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隨著經濟發(fā)展，科技研發(fā)民用工業(yè)，都離不開氣體工業(yè)與低溫技術，全球特別是中國的經濟增長，使空氣分離市場前景看好、形勢樂觀。石化、電子、化纖、多晶硅等工業(yè)的發(fā)展需要高純氮氣走越來越多。制氮設備屬于國家鼓勵發(fā)展的節(jié)能環(huán)保范疇。

氮氣的化學性質不活潑，在平常的狀態(tài)下有很大的惰性，不容易與其它物質發(fā)生化學反應。因此，氮氣在玻璃、煉油、冶金、電子、化學工業(yè)中廣泛地用來作為保護氣，其應用前景非常廣闊，是需求急速增長的一種工業(yè)氣體。

隨著氮氣的廣泛應用，對高純氮的需求也越來越高，如專利申請?zhí)枮椤皕l201020297154.9”的專利文獻中提供的技術方案采用其空氣分離工藝流程，主要提供的是氮氣壓力為1-3barg的產品，當產品氮氣壓力每需要提高0.1barg，則空壓機排氣壓力需相應提高0.2barg。如果用戶需要氮氣壓力為3-4barg的產品，則需要更大壓力的空縮壓縮機，空氣壓縮機的能耗也隨之增加，因此加工空氣量增大，綜合能耗也隨之增加。

技術實現要素：
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本發(fā)明旨在解決上述問題，提供一種雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機及其制氮方法。

為達成上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機，包括通過管路互相連接的進氣預處理裝置和制氮裝置，其中：

所述進氣預處理裝置包括依次通過管路連通的除去灰塵及機械雜質的空氣過濾器、將外部空氣進行壓縮的空氣壓縮機、對空氣壓縮機輸出的空氣進行冷卻的預冷機組以及凈化預冷機組輸出空氣的純化器；

所述制氮裝置包括用于熱交換的主換熱器、過冷器、精餾塔、主冷凝蒸發(fā)器、與主冷凝蒸發(fā)器通過管路連通的輔冷凝蒸發(fā)器及膨脹機，其中：

所述精餾塔包括相互連通的下塔、上塔，主冷凝蒸發(fā)器設于下塔和上塔之間并與上塔連通；

所述下塔設有供空氣進入的空氣入口,該空氣入口通過管路并經過主換熱器與純化器連通；

所述下塔、上塔分別設有第一回流液氮入口、第二回流液氮入口；所述主冷凝蒸發(fā)器、輔冷凝蒸發(fā)器分別設有第一液氮出口、第二液氮出口；所述下塔頂部還設有供分離后的氣氮排出的第一氣氮出口，第一氣氮設有兩條管路，其中一條管路與主冷凝蒸發(fā)器連通；另一條管路與輔冷凝蒸發(fā)器連通；主冷凝蒸發(fā)器的第一液氮出口的管路與輔冷凝蒸發(fā)器的第二液氮出口的管路匯合形成液氮匯集區(qū)；液氮匯集區(qū)設有兩條管路，其中一條管路經過過冷器與第二回流液氮入口連通，另一條管路與第一回流液氮入口連通；

所述下塔底部還設有供富氧液空流出的第一富氧液空出口，其通過管路并經過過冷器與上塔上設置的第一富氧液空入口連通；

所述上塔頂部還設有供二次分離后的第二氣氮出口，該第二氣氮出口通過管路并經過過冷器、主換熱器與高純氮輸出端連通；

所述主冷凝蒸發(fā)器還設有供富氧液空流出的第二富氧液空出口，其與輔冷凝蒸發(fā)器、主換熱器、膨脹機通過管路依次連通；

所述膨脹機還設置有第三富氧空氣出口，其通過管路并經過主換熱器與純化器連通，并且膨脹機入口與主換熱器膨脹后通道之間設有旁通調節(jié)閥。

進一步的實施例中，主換熱器還設置有污氮氣輸出的污氮氣排出管。

進一步的實施例中，所述主冷凝蒸發(fā)器、輔冷凝蒸發(fā)器均設置有不凝氣體排出管。

進一步的實施例中，所述過冷器與上塔上設置的第二回流液氮入口之間的管路上還設置有第一節(jié)流閥。

進一步的實施例中，所述過冷器與上塔上設置的第一富氧液空入口之間的管路上還設置有第二節(jié)流閥，所述主冷凝蒸發(fā)器富氧液空流出的第二富氧液空出口與輔冷凝蒸發(fā)器入口之間的管路上還設置有第三節(jié)流閥。

進一步的實施例中，所述純化器包括分子篩吸附器和電加熱器。

進一步的實施例中，所述雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機還包括plc遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

根據本發(fā)明的改進，還提出一種雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機的制氮方法，該方法包括：

原料空氣經空氣過濾器除去灰塵及機械雜質，然后在空氣壓縮機中被壓縮到所需設定壓力，被壓縮的空氣經預冷機組冷卻，然后進入自動切換的純化器清除水、二氧化碳和乙炔以及其它碳氫化合物，出純化器的空氣溫度為20℃；

空氣經過主換熱器與返流氣體換熱，被冷卻至液化溫度，通過空氣入口進入下塔參與空氣分離；

下塔中的空氣被初步分離成氮氣和富氧液空；

下塔中的塔頂獲得純氮，氣氮從第一氣氮出口排出，分為兩路：一路被主冷凝蒸發(fā)器冷凝成液氮從第一液氮出口流出，另一路被輔冷凝蒸發(fā)器冷凝成液氮從第二液氮出口流出；兩路液氮在液氮匯集區(qū)匯合，匯合后的液氮分為兩部分：第一部分液氮經過冷器冷卻后噴入到上塔頂部，作為上塔的回流液；第二部分液氮返回下塔作為回流液；

下塔底部的富氧液空從第一富氧液空出口流出，經過冷器過冷通過第一富氧液空入口進入上塔，作為上塔原料；

上塔富氧液空經二次分離后得到的純氣氮從第二氣氮出口排出，氣氮經過過冷器復熱、主換熱器換熱后輸出；

上塔底部的富氧液空進入主冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)，并被分為兩部分：第一部分富氧空氣作為上塔的上升蒸汽；

第二部分富氧液空通過第二富氧液空出口流出、降壓進入輔冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)成富氧空氣，富氧空氣經主換熱器復熱、進入膨脹機膨脹，膨脹后的富氧空氣分為兩部分：

膨脹后的第一部分富氧空氣通過第三富氧液空出口流出，進入主換熱器復熱后送入純化器作為再生氣使用；

膨脹后的第二部分富氧空氣排放至雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機外。

進一步的實施例中，該方法更加包括：

原料空氣從純化器排出時，空氣被分為兩部分：第一部分空氣經過主換熱器與返流氣體換熱，被冷卻至液化溫度，通過空氣入口進入下塔參與空氣分離；

第二部分空氣進入雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機的儀表空氣系統(tǒng)作為儀表氣和密封氣。

進一步的實施例中，該方法更加包括：

所述第一部分液氮經過冷器冷卻噴入到上塔頂部包括：

第一部分液氮經過冷器冷卻并經過第一節(jié)流閥減壓后再噴入到上塔頂部；

所述下塔底部的富氧液空從第一富氧液空出口流出，經過冷器過冷通過第一富氧液空入口進入上塔，包括：

所述下塔底部的富氧液空從第一富氧液空出口流出，經過冷器過冷并經過第二節(jié)流閥調節(jié)壓力后通過第一富氧液空入口進入上塔。

本發(fā)明的雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機及其制氮方法，采用帶預冷機組的全低壓分子篩吸附流程，有效防止水分、二氧化碳進入冷箱中低溫設備，運行壓力低，安全可靠；另外采用富氧液空在主冷凝蒸發(fā)器及輔冷凝蒸發(fā)器中逐級蒸發(fā)，實現在獲得相等壓力的高純氣氮產品下，與專利申請?zhí)枮椤皕l201020297154.9”的專利文獻中提供的常規(guī)雙塔單冷凝返流膨脹高純制氮機相比，能夠降低空氣壓縮機排壓、降低電耗，同時能夠降低加工空氣量，從而降低綜合能耗，保護環(huán)境。

附圖說明

構成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，并非每個組成部分均被標記。現在，將通過例子并參考附圖來描述本發(fā)明的各個方面的實施例，在附圖中：

圖1為本發(fā)明其中一個實施例的雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機的整體結構示意圖。

圖2a為本發(fā)明其中一個實施例的雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機制氮方法(進氣預處理)的工作原理示意圖。

圖2b為本發(fā)明其中一個實施例的雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機制氮方法(制氮和分級蒸發(fā)上塔富氧液空)的工作原理示意圖。

具體實施方式

為了更了解本發(fā)明的技術內容，特舉具體實施例并配合上述所附圖式說明如下。

如圖1結合圖2a、圖2b所示，該雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機，包括通過管路互相連接的進氣預處理裝置1和制氮裝置2。

進氣預處理裝置1包括依次通過管路連通的除去灰塵及機械雜質的空氣過濾器11、將外部空氣進行壓縮的空氣壓縮機12、對空氣壓縮機12輸出的空氣進行冷卻的預冷機組13以及凈化預冷機組13輸出空氣的純化器14。如此，盡可能減少原料有害雜質進入主冷凝蒸發(fā)器24、輔冷凝蒸發(fā)器25。

在本實施例中，采用帶預冷機組13的全低壓分子篩吸附流程，有效防止水分、二氧化碳進入冷箱中低溫設備，運行壓力低，安全可靠。

制氮裝置2包括用于熱交換的主換熱器21、用于冷卻和/或復熱的過冷器26、精餾塔、主冷凝蒸發(fā)器24、與主冷凝蒸發(fā)器24通過管路連通的輔冷凝蒸發(fā)器25及膨脹機27。

精餾塔包括相互連通的下塔22、上塔23，主冷凝蒸發(fā)器24設于下塔22和上塔23之間并與上塔23連通。在本實施例中，上塔23、下塔22采用全鋁結構高效對流篩板，塔板結構設計合理，并采用特殊工藝制作，充分保證塔板的水平度，塔板效率高，使產品氮提取率高。

下塔22設有供空氣進入的空氣入口221,該空氣入口221通過管路并經過主換熱器21與純化器14連通。

下塔22、上塔23分別設有第一回流液氮入口224、第二回流液氮入口234；主冷凝蒸發(fā)器24、輔冷凝蒸發(fā)器25分別設有第一液氮出口241、第二液氮出口251；下塔22頂部還設有供分離后的氣氮排出的第一氣氮出口222，第一氣氮設有兩條管路，其中一條管路與主冷凝蒸發(fā)器24連通；另一條管路與輔冷凝蒸發(fā)器25連通；主冷凝蒸發(fā)器24的第一液氮出口241的管路與輔冷凝蒸發(fā)器25的第二液氮出口251的管路匯合形成液氮匯集區(qū)30；液氮匯集區(qū)30設有兩條管路，其中一條管路經過過冷器26與第二回流液氮入口234連通，另一條管路與第一回流液氮入口224連通。

下塔22底部還設有供富氧液空流出的第一富氧液空出口223，其通過管路并經過過冷器26與上塔23上設置的第一富氧液空入口231連通。

上塔23頂部還設有供二次分離后的第二氣氮出口232，該第二氣氮出口232通過管路并經過過冷器26、主換熱器21與高純氮輸出端連通。

所述主冷凝蒸發(fā)器24還設有供富氧液空流出的第二富氧液空出口233，其與輔冷凝蒸發(fā)器25、主換熱器21、膨脹機27通過管路依次連通。膨脹機27還設置有第三富氧空氣出口，其通過管路并經過主換熱器21與純化器14連通，并且膨脹機27入口與主換熱器21膨脹后通道之間設有旁通調節(jié)閥。

如此，上塔23底部富氧液空在主冷凝蒸發(fā)器24中蒸發(fā)后得到上塔23所需的上升蒸氣；未蒸發(fā)的富氧液空進入輔冷凝蒸發(fā)器25中蒸發(fā)。富氧液空在主冷凝蒸發(fā)器24、輔冷凝蒸發(fā)器25中分級蒸發(fā)，在下塔22塔頂氣氮冷凝溫度相同的前提下，可提高主冷凝蒸發(fā)器24的蒸發(fā)壓力，即提高上塔23的工作壓力。反之，與雙塔單主冷返流膨脹流程相比，在得到同等的上塔23氮氣壓力時，可降低下塔22的操作壓力，即降低了原料空壓機的排壓，達到降能節(jié)耗的目的。

優(yōu)選地，主換熱器21還設置有污氮氣輸出的污氮氣排出管。

優(yōu)選地，主冷凝蒸發(fā)器24、輔冷凝蒸發(fā)器25均設置有不凝氣體排出管。

在某些優(yōu)選的實施例中，為保證裝置工況的相對穩(wěn)定，過冷器26與上塔23上設置的第二回流液氮入口234之間的管路上還設置有第一節(jié)流閥28；過冷器26與上塔23上設置的第一富氧液空入口231之間的管路上還設置有第二節(jié)流閥29；主冷凝蒸發(fā)器24富氧液空流出的第二富氧液空出口233與輔冷凝蒸發(fā)器25入口之間的管路上還設置有第三節(jié)流閥。在本實施例中，第一節(jié)流閥28、第二節(jié)流閥29、第三節(jié)流閥均采用空分冷箱內專用的耐低溫且具備良好調節(jié)性能的氣動閥。

在某些實施例中，如圖1所示，純化器14包括分子篩吸附器和電加熱器141。分子篩吸附器選用長周期分子篩吸附器，采用先進的氣流分布裝置和結構，簡單可靠的防偏流裝置，使得床層結構簡單、可靠；電加熱器141采用獨特的立式棒狀設計，故障率低，方便更換。

優(yōu)選的，為減少工人勞動強度，雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機還包括plc遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

如圖1結合圖2a、圖2b所示，本實施例還提出一種雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機的制氮方法，該方法包括：

步驟1、進氣預處理：

原料空氣經空氣過濾器11除去灰塵及機械雜質，然后在空氣壓縮機12中被壓縮到所需設定壓力，被壓縮的空氣經預冷機組13冷卻，然后進入自動切換的純化器14清除水、二氧化碳和乙炔以及其它碳氫化合物，出純化器14的空氣溫度為20℃；

出純化器14的空氣分為兩部分：第一部分空氣經過主換熱器21與返流氣體換熱，被冷卻至液化溫度，通過空氣入口221進入下塔22參與空氣分離；第二部分空氣進入雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機的儀表空氣系統(tǒng)作為儀表氣和密封氣。

步驟2、制氮：

空氣通過空氣入口221進入下塔22參與空氣分離；下塔22中的空氣被初步分離成氮氣和富氧液空；

下塔22中的塔頂獲得純氮，氣氮從第一氣氮出口222排出，分為兩路：一路被主冷凝蒸發(fā)器24冷凝成液氮從第一液氮出口241流出，另一路被輔冷凝蒸發(fā)器25冷凝成液氮從第二液氮出口251流出；兩路液氮在液氮匯集區(qū)30匯合，匯合后的液氮分為兩部分：第一部分液氮經過冷器26冷卻后并經過第一節(jié)流閥28減壓后再噴入到上塔23頂部；作為上塔23的回流液；第二部分液氮返回下塔22作為回流液；

下塔22底部的富氧液空從第一富氧液空出口223流出，經過冷器26過冷并經過第二節(jié)流閥29調節(jié)壓力后通過第一富氧液空入口231進入上塔23，作為上塔23原料；

上塔23富氧液空經二次分離后得到的純氣氮從第二氣氮出口232排出，氣氮經過冷器26復熱、主換熱器21換熱后輸出至高純氮輸出端。

步驟3、分級蒸發(fā)上塔富氧液空：

上塔23底部的富氧液空進入主冷凝蒸發(fā)器24中蒸發(fā)，并被分為兩部分：第一部分富氧空氣作為上塔23的上升蒸汽；

未被蒸發(fā)的第二部分富氧液空通過第二富氧液空出口233流出、降壓進入輔冷凝蒸發(fā)器25中蒸發(fā)成富氧空氣，富氧空氣經主換熱器21復熱、進入膨脹機27膨脹并制取膨脹機27運行所需冷量，膨脹后的富氧空氣分為兩部分：

膨脹后的第一部分富氧空氣通過第三富氧液空出口流出，進入主換熱器21復熱后送入純化器14作為再生氣使用；

膨脹后的第二部分富氧空氣排放至雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機外。

在本實施例中，整套工藝流程采用國際先進的aspen軟件模擬計算、仿真，該軟件經有關技術人員將數十套國內外運行穩(wěn)定的參數回歸處理，來保證模擬計算結果與實際運行的參數吻合。

與專利申請?zhí)枮椤皕l201020297154.9”的專利文獻中提供的常規(guī)雙塔單冷凝返流膨脹高純制氮機相比，現有技術方案主要提供氮氣壓力1-3barg的產品，當產品氮氣壓力每提高0.1barg則空壓機排氣壓力需相應提高0.2barg。應用本發(fā)明后的技術方案后，當產品氮氣壓力每提高0.1barg則空壓機排氣壓力需相應提高0.12barg，可明顯節(jié)能。

本發(fā)明增加了輔冷凝蒸發(fā)器25，利用上塔23的富氧液空在主冷凝蒸發(fā)器24及輔冷凝蒸發(fā)器25中逐級蒸發(fā)的原理，在相同的空氣壓縮機12排量、排壓條件下，產品氮氣的壓力可提高0.5barg；應當理解，在相同的產品氮氣壓力條件下，空氣壓縮機12的排壓可降低1.5barg?？諝鈮嚎s機12可降低電耗7-10％，節(jié)能效果明顯。比如，用戶需3500nm³/h-3.2barg的高純氮氣，常規(guī)雙塔單冷凝返流膨脹高純制氮機的流程需用6300nm³/h-9.5barg的空壓機，應用本制氮方法后后空壓機為6000nm³/h-8barg。

進一步的，用戶需3500nm³/h-3.2barg的高純氮氣，如果采用常規(guī)的單塔單冷凝返流膨脹高純制氮機的制氮方法，需用7500nm³/h-4.8barg排壓的空壓機，與本制氮方法比較，空氣壓縮機12增加2.2％的能耗，因加工空氣量增大，綜合能耗增加3％。

從而，本發(fā)明的雙塔雙冷凝返流膨脹制氮機及其制氮方法，采用帶預冷機組13的全低壓分子篩吸附流程，有效防止水分、二氧化碳進入冷箱中低溫設備，運行壓力低，安全可靠；另外采用富氧液空在主冷凝蒸發(fā)器24及輔冷凝蒸發(fā)器25中逐級蒸發(fā)，實現在獲得相等壓力的高純氣氮產品下，與專利申請?zhí)枮椤皕l201020297154.9”的專利文獻中提供的常規(guī)雙塔單冷凝返流膨脹高純制氮機相比，能夠降低空氣壓縮機12排壓、降低電耗，同時能夠降低加工空氣量，從而降低綜合能耗，保護環(huán)境。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。