一种从空气中分离高纯氮气的方法技术

本发明专利技术提出了一种从空气中分离高纯氮气的方法，其特征在于在工艺流程中轴承气进入膨胀机之前设有一套气体保护装置，使其无论是正常停车还是紧急停车，都能保证膨胀机轴承气的气体压力逐渐降低，使透平膨胀机的转速慢慢自然降下来，减轻因突然停车，轴承气的气体压力急剧下降而造成的严重机械磨损和损坏。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。目前，从空气中分离高纯氮气或氧气，大多采用深冷法。从原理上讲，它主要有以下两部分组成(1)空气的冷却与液化系统它主要由空气压缩机、换热器、膨胀机等部分组成。在正常运转时，通过压缩、膨胀制冷，使空气液化和维持装置的低温，即维持装置的冷量平衡。(2)空气的精馏系统它主要由精馏塔、冷凝蒸发器、过冷器、液空、液氮节流阀等组成，空气在塔板上与液体接触，经过多次部分冷凝与部分蒸发，分离成氧气、氮气产品。目前，国内的小型空气分离装置一般采用哈尔滨制氧机厂设计生产的全套KDN-150/10Y，该工艺装置采用上述工作原理，其工艺流程为空气经滤清器清除灰尘和机械杂质后，由二级无油润滑压缩机将空气压缩，最终压至0.9～1.0MPa进入二级冷却器除水份。然后经预冷机预冷继续除掉水份，进入分子筛纯水器清除水份、乙炔、二氧化碳等碳氢化合物。净化后的空气分离机组(冷箱)，经板式热交换器Ⅰ进入板式热交换器Ⅱ，冷却至饱和温度进入精馏塔底部。空气在精馏塔内逐渐上升，在冷凝蒸发器中被液化。在精馏塔的顶部得到高纯氮产品，塔的底部得到含富氧的液态空气。除部分产品引出外，大部分作为精馏塔的回流液。液空从精馏塔底部抽出，经节流阀送入冷凝蒸发器。板式单元外的空间，用以液化板式单元内氮气返流中的气体，本身被加热汽化的冷凝蒸发器顶部抽出的废气进入热交换器Ⅱ复热至120K进入透平膨胀机，从0.35MPa膨胀至0.04MPa。降低温度获得冷量后经热交换器Ⅱ、热交换器Ⅰ复热至常温排出塔外，一部分放空，大部分作为透平膨胀机制动风机的气源。经风机压缩后的废气被电加热器加热至300℃，作为分子筛再生的气源。氮气及部分液氮工况时，产品氮气从下塔顶部抽出分别经热交换器Ⅱ、热交换器Ⅰ复热至常温排出塔外供用户使用。部分液氮从液氮槽内抽出经节流阀进入液氮贮罐，根据用户需要连续排出塔外供使用。在上述工艺流程中，制冷量主要是由透平膨胀机产生的。膨胀机使气体膨胀输出外功，使分离设备获得所需要的冷量。当设备启动时，用它来冷却低温设备，使它们达到能进行低温精馏的状态；在空分设备正常运转中，用它来不断补偿设备中由于隔热不完善以及换热不足所引起的冷量损失，以维持空分设备的正常运转。因此，膨胀机是整个工艺流程的关键环节，可将其比作空气分离设备的心脏，膨胀量的多少直接影响到精馏的效果，即直接影响到产品的质量。一般地说，膨胀机具有以下工作特点(1)工作压力较高，质量流量较小以及焓降较大。这使得膨胀机通流部分的尺寸较小，而叶轮转速和圆周速度却很高。(2)由于气体流速高，使叶轮的转速较高，则对膨胀机轴承的稳定性和可靠性就提出了更高的要求。在上述工艺流程中，透平膨胀机采用了风机制动、气体静压轴承，转子由整体式空气轴承支承，并设有专门轴承供气系统，供气压力为0.6Mpa。根据膨胀机的工作原理和特点，膨胀机在正常停车或紧急停车(停电、故障等非正常工作状态)情况下，空气压缩机停止运行后，造成轴承气的气体压力急剧下降，必然会使高速旋转(50000～60000转/分)的透平膨胀机的叶轮、轴、转子等部件造成严重的机械磨损，影响其正常使用和其使用寿命，以至使再次启动非常困难。为了保证空分装置的正常运行，往往还需准备一台备机以便出现故障时使用。一台透平膨胀机的价格约为7～8万元，平均半年左右则要对其检修、调试一次，其费用需5000元，因此造成了很大的经济损失。本专利技术的目的在于为了克服上述现有技术的空气分离流程中存在的缺陷，提出了，其特征在于在工艺流程中轴承气进入膨胀机之前设有一套气体保护装置，使其无论是正常停车还是紧急停车，都能保证轴承气的气体压力在0.6Mpa情况下逐渐降低，使透平膨胀机的转速慢慢自然降下来，减轻因其突然停车，轴承气的气体压力急剧下降而造成的严重机械磨损和损坏。本专利技术人经过多次实践摸索，提出了，其工艺流程为空气经滤清器清除灰尘等机械杂质后，由二级无油润滑压缩机将空气压缩，最终压至0.8～1.0MPa进入二级冷却器除水份，再进入预冷机预冷降温并继续除掉水份，然后经过透平膨胀机安全运行保护装置，也可先经过透平膨胀机安全运行保护装置，再进入预冷机预冷降温并继续除掉水份，最后进入分子筛纯化器清除水份、乙炔、二氧化碳等碳氢化合物；净化后的空气，少部分经减压阀后，作为膨胀机的轴承气，大部分经板式热交换器Ⅰ和Ⅱ，在两个热交换器中与返流气体(氮气和废气)进行热交换，将空气冷却至饱和温度(-167～-173℃)，通过节流阀，进入精馏塔底部，利用氮气、氧气的沸点不同，造成气、液两相中浓度的差异来分离其混合物，在精馏塔中氮组份相对地蒸发得较多，气相中氮浓度不断增加，而氧组份相对地冷凝得较多，液相中氧浓度不断增加，因此塔的顶部得到纯度为＞99.99％的气氮，一部分气氮作为产品引出，大部分气氮在塔顶的冷凝蒸发器中被冷凝成液氮，除部分液氮产品引出外，大部分作为精馏塔的回流液，返回精馏塔。精馏塔的底部得到富氧的液态空气，液空从精馏塔底部抽出，经节流阀送入塔顶的冷凝蒸发器，作为冷源，在冷凝蒸发器经热交换后，从其顶部抽出进入热交换器Ⅱ复热至-150～-153℃，进入透平膨胀机，气体经膨胀后降低温度，再进入热交换器Ⅱ、热交换器Ⅰ复热至常温排出塔外，一部分作为透平膨胀机制动风机的气源，经制动风机压缩后，与另外一部分一起被电加热器加热至280～350℃，作为分子筛纯化器的气源，将分子筛纯化再生后放空；在精馏塔顶部可将产品氮气抽出分别经热交换器Ⅱ、热交换器Ⅰ复热至常温排出塔外供用户使；从冷凝蒸发器得到的液氮产品经节流阀进入液氮贮罐，可根据用户需要连续排出塔外供使用。上述工艺流程中，所述的透平膨胀机安全运行保护装置是一种可使气体单方向流动的装置，例如可采用止逆阀(也可称为单向阀)，在正常停车或紧急停车(停电、故障等非正常工作状态)情况下，由于气体不能反方向流动，使得透平膨胀机的轴承气的气体压力不会马上下降；所述的透平膨胀机安全运行保护装置也可是一种自动控制装置，例如气动阀或电动阀，当气体压力降低到某一数值时，阀门自动关闭，保证管路中的气体压力不会迅速下降。本专利技术的从空气中分离高纯氮气的方法与现有技术相比具有以下优点本专利技术的工艺流程与现有技术的区别在于，在轴承气进入膨胀机之前设有一套透平膨胀机安全运行气体保护装置，其作用是，在正常停车或紧急停车的情况下，虽然空气压缩机停止运行，但由于安全运行气体保护装置中管线的关闭，使膨胀机的轴承气压力(约为0.6MPa)逐渐降低，透平膨胀机的转速缓慢自然降下来，使透平膨胀机的叶轮、轴、转子等部件不会造成的严重的机械磨损。在空分装置轴承气进入膨胀机之前采取了加装气体保护装置的方法，经过试验考验，目前已超过两年多，一直运行良好。在此期间从未更换、检修过膨胀机。这样可以节约备机和检修调试的费用(每年约2～3万元)，使装置运行更加可靠，同时由于加装了气体保护装置，也使得精馏塔的操作更加稳定，保证了产品的质量，给产品带来更好的信誉。实施例空气(660m3/小时)经滤清器清除灰尘等机械杂质后，由二级无油润滑压缩机将空气压缩，最终压至0.9MPa进入二级冷却器除水份，再进入预冷机预冷降温(5℃)并继续除掉水份，然后经过透平膨胀机安全运行保护装置(止逆阀)，最后进入分子筛纯化器清除水份、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从空气中分离高纯氮气的方法，其工艺流程为：空气经滤清器清除灰尘等机械杂质后，由二级无油润滑压缩机将空气压缩，最终压至０．８～１．０ＭＰａ进入二级冷却器除水份，再进入预冷机预冷降温并继续除掉水份，然后经过透平膨胀机安全运行保护装置，也 可先经过透平膨胀机安全运行保护装置，再进入预冷机预冷降温并继续除掉水份，最后进入分子筛纯化器清除水份、乙炔、二氧化碳等碳氢化合物；净化后的空气，少部分经减压阀后，作为膨胀机的轴承气，大部分经板式热交换器Ⅰ和Ⅱ，在两个热交换器中与返流气体 进行热交换，将空气冷却至饱和温度，通过节流阀，进入精馏塔底部，塔的顶部得到纯度为＞９９．９９％的气氮，一部分气氮作为产品引出，大部分气氮在塔顶的冷凝蒸发器中被冷凝成液氮，除部分液氮产品引出外，大部分作为精馏塔的回流液，返回精馏塔，精馏塔的底部得到富氧的液态空气，液空从精馏塔底部抽出，经节流阀送入塔顶的冷凝蒸发器，作为冷源，在冷凝蒸发器经热交换后，从其顶部抽出进入热交换器Ⅱ复热至－１５０～－１５３℃，进入透平膨胀机，气体经膨胀后降低温度，再进入热交换器Ⅱ、热交换器Ⅰ复热至常温排出塔外，一部分作为透平膨胀机制动风机的气源，经制动风机压缩后，与另外一部分一起被电加热器加热至２８０～３５０℃，作为分子筛纯化器的气源，将分子筛纯化再生后放空；在精馏塔顶部可将产品氮气抽出分别经热交换器Ⅱ、热交换器Ⅰ复热至常温排出塔外供 用户使用，从冷凝蒸发器得到的液氮产品经节流阀进入液氮贮罐，可根据用户需要连续排出塔外供使用；上述工艺流程中透平膨胀机安全运行保护装置是一种可使气体单方向流动的装置，或是一种自动控制装置使气体压力不低于一定的数值。...

【技术特征摘要】
1.一种从空气中分离高纯氮气的方法，其工艺流程为空气经滤清器清除灰尘等机械杂质后，由二级无油润滑压缩机将空气压缩，最终压至0.8～1.0MPa进入二级冷却器除水份，再进入预冷机预冷降温并继续除掉水份，然后经过透平膨胀机安全运行保护装置，也可先经过透平膨胀机安全运行保护装置，再进入预冷机预冷降温并继续除掉水份，最后进入分子筛纯化器清除水份、乙炔、二氧化碳等碳氢化合物；净化后的空气，少部分经减压阀后，作为膨胀机的轴承气，大部分经板式热交换器Ⅰ和Ⅱ，在两个热交换器中与返流气体进行热交换，将空气冷却至饱和温度，通过节流阀，进入精馏塔底部，塔的顶部得到纯度为＞99.99％的气氮，一部分气氮作为产品引出，大部分气氮在塔顶的冷凝蒸发器中被冷凝成液氮，除部分液氮产品引出外，大部分作为精馏塔的回流液，返回精馏塔，精馏塔的底部得到富氧的液态空气，液空从精馏塔底部抽出，经节流阀送入塔顶的冷凝蒸发器，作为冷源，在冷凝蒸发器经热交换后，从其顶部抽出进入热交换器Ⅱ复热至-150...

【专利技术属性】
技术研发人员：李希光，王健，赵维亮，陈恒新，陈军，陈旭新，
申请(专利权)人：北京市奥达石化新技术开发中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]