氮产生装置和氮产生方法制造方法及图纸

本公开提供一种氮产生装置，其能够对应产品氮气的供给压力的变化，比以往更有效地控制压缩膨胀机。氮产生装置(100)具备主热交换器(1)、氮精馏塔(2)、至少一个氮冷凝器、压缩机(6)、膨胀涡轮(7)、控制将所述压缩机(6)和所述膨胀涡轮(7)连接的旋转轴的旋转的旋转控制部(8)、计测产品氮气的压力值的压力计测部(91)、以及最佳转速运算指令部(9)，所述最佳转速运算指令部(9)在预先设置的转速运算函数中，输入由所述压力计测部(91)计测出的压力值，运算所述旋转轴的转速，对所述旋转控制部(8)发出指令。指令。指令。

【技术实现步骤摘要】
氮产生装置和氮产生方法


[0001]本公开涉及由原料空气产生氮的氮产生装置和氮产生方法。

技术介绍

[0002]采用深冷空气分离法的氮产生装置，适合大量制造高纯度的氮。这样的氮产生装置，适用于惰性气体供给、以及面向氨合成等的氮原料供给。氮产生装置有仅具备1个精馏塔的单式精馏方式(例如专利文献1)和具备2个以上精馏塔的复式精馏方式(例如专利文献2)。
[0003]关于产品氮气供给压力，根据供给目标(对象)的氮气利用状况，最佳压力会发生变化。在复式精馏方式的情况下，由于产品氮气从低压精馏塔供给，通过产品氮压缩机将产品氮气压缩至供给压力，因此通过产品氮压缩机的排出压力控制，能够根据需求压力变化进行最佳化。另一方面，在单式精馏方式的情况下，通过在产品氮气供给所需的压力下运转精馏塔，能够不使用氮压缩机而供给氮气。但是，如果想要追随供给目标的需求压力变化，则每次都需要变更精馏塔的运转压力。在精馏塔的运转压力变化时，使原料空气压力与之相应地上升，例如也需要进行变更原料空气压缩机的排出压力控制值等操作。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献1：美国专利第5,711,167号公报
[0006]专利文献2：美国专利第4,222,756号公报

技术实现思路

[0007]专利技术要解决的课题
[0008]在专利文献1记载的具备冷压缩膨胀机(cold booster expander)的氮产生装置的情况下，伴随精馏塔的运转压力变化，氮冷凝器的运转压力也变化，因此压缩膨胀机的运转压力条件发生变化。进而，精馏塔的运转压力也会影响氮的分离效率，结果也会影响氮回收率，因此为了确保产品氮气制造量，也必须控制压缩膨胀机的处理流量。但是，根据任意的供给压力逐次计算研究工艺压力和流量平衡并重新设定控制值，复杂且费用昂贵，因此是不现实的。其结果，即使在能够以比较低的压力供给产品氮气的情况下，来自氮产生装置的产品氮气供给压力也被设定为所期待的压力需求的最大值，最终导致需求压力与供给压力的差值成为能量的损失。
[0009]本公开的目的是提供一种氮产生装置和氮产生方法，其能够对应产品氮气的供给压力的变化，比以往更有效地控制压缩机(booster)和膨胀涡轮(expander)。
[0010]用于解决课题的手段
[0011]本专利技术人等通过模拟和实际设备中的认真研究，明确了在产品氮气量一定的情况下，精馏塔的运转压力与压缩膨胀机的转速呈正相关关系。
[0012]表1示出在投入27300Nm3/h的原料空气、产生17000Nm3/h的产品氮气的情况下的每个产品氮气压力的最佳压缩器运转条件。
[0013]表1
[0014]产品氮气压力(barG)8.899.2再循环空气摩尔流量(Nm3/h)138221413014438压缩器吸入时的再循环空气压力(barA)4.764.885.00压缩器吸入时的再循环空气吸入温度(℃)
‑
170.9
‑
170.6
‑
170.3压缩器吸入时的再循环空气密度(kg/m3)22.923.423.8再循环空气体积流量(m3/h)792794796
[0015]随着产品氮气压力上升，最佳再循环空气摩尔流量上升。这是由于，随着精馏塔的运转压力上升，精馏的效率降低，因此为了维持产品氮气的纯度，需要增加蒸气流。再循环空气的产生源是与精馏塔上部的氮气进行热交换而蒸发的富氧液，压缩器吸入时的再循环空气的温度成为比氮气的冷凝点低氮冷凝器的温度差量的温度，再循环空气的压力成为该温度下的平衡压力，因此以产品氮气的压力上升的量，压缩器吸入时的再循环空气的温度和压力上升。在将再循环空气的摩尔流量和压缩器吸入时的温度压力进行总结，以体积流量进行评价时，了解到伴随氮气压力上升，再循环空气体积流量成比例地增加。这样，通过使用以精馏塔的压力为变量的函数，能够推测最佳的压缩膨胀机转速，无需进行复杂的研究就能够实现工艺平衡的最佳化。
[0016]这在原理上可以解释如下。在精馏塔压力上升的情况下，精馏塔的回收率降低，因此如果想要确保产品氮气量，则需要增加原料空气量或再循环空气量，但由于增加原料空气量与削减消耗能量相违背，因此希望增加再循环空气量。压缩膨胀机中的再循环空气量，由压缩器的叶轮的体积流量处理能力和压缩器的旋转轴的转速的累积而确定。该叶轮的结构在工艺条件操作中是不变的，因此关键在于转速控制。
[0017]由于每个工艺压力最佳的再循环空气量并不是显而易见的，因此在包含精馏塔和压缩膨胀机的同一装置中，在一定的压力范围内进行了研究，结果在精馏塔压力与再循环空气的体积流量之间发现了能够用多项式容易再现的正相关关系(用线性或非线性的多项式表示的相关关系)。即、明确了再循环空气的体积流量可以如上所述作为叶轮的体积流量处理能力和转速的累积来计算，因此能够通过以精馏塔压力为变量的函数来确定最佳的再循环空气体积流量和压缩膨胀机的转速设定值，能够确定压缩膨胀机的控制点。
[0018]作为用于表示正相关(线性相关关系)的转速运算函数，发现了以下的式(1)。
[0019]y＝a
×
x+b (1)
[0020]转速设定值：y
[0021]系数：a
[0022]产品氮气压力(热交换器的上游或下游的配管中的压力、氮精馏塔的任意位置的压力)：x
[0023]校正值：b
[0024]另外，作为用于求出原料空气压力设定值的运算函数，发现了以下的式(2)。
[0025]z＝d
×
x+e (2)
[0026]原料空气压力设定值：z
[0027]系数：d
[0028]产品氮气压力：x
[0029]校正值：e
[0030]另外，发现利用以下的式(3)调整由转速运算函数求出的转速设定值。
[0031]y
’
＝w
×
y (3)
[0032]调整后的转速设定值：y
’
[0033]转速设定值：y
[0034]系数：w(产品氮气的流量值)
[0035]根据与装置的设备规格相对应的模拟结果来设定各系数、校正值。
[0036]作为转速运算函数，也可以是非线性函数。式(11)是其一个例子。
[0037]y＝a1×
x+a2×
x2+a3×
x3+b
1 (11)
[0038]转速设定值：y
[0039]系数：a1、a2、a3[0040]产品氮气压力(热交换器的上游或下游的配管中的压力、氮精馏塔的任意位置的压力)：x
[0041]校正值：b1[0042]另外，作为用于求出原料空气压力设定值的运算函数，发现以下的式(12)。
[0043]z＝d
×
x+e (12)
[0044]原料空气压力设定值：z
[0045]系数：d
[0046]产品氮气压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮产生装置，具备：主热交换器，原料空气被导入所述主热交换器；氮精馏塔，从所述主热交换器导出的原料空气被导入所述氮精馏塔的下部；至少一个氮冷凝器，其将从所述氮精馏塔的塔顶部导出的氮气冷凝；压缩机，从所述氮冷凝器的塔顶部导出的第一气体被导入所述压缩机；第一气体再循环配管，其使由所述压缩机压缩了的第一气体通过所述主热交换器的一部分并向所述氮精馏塔的下部导入；膨胀涡轮，从所述氮冷凝器的塔顶部导出的第二气体通过所述主热交换器的一部分后被导入所述膨胀涡轮；第二气体导出配管，其用于使在所述膨胀涡轮中使用了的第二气体通过所述主热交换器并排出；旋转控制部，其控制将所述压缩机和所述膨胀涡轮连接的旋转轴的旋转；产品氮气取出配管，其使从所述氮精馏塔的塔顶部或上部精馏部导出的氮气通过所述主热交换器后，取出产品氮气；压力计测部，其计测所述氮精馏塔的任意部位的压力值或所述产品氮气的压力值；以及最佳转速运算指令部，其在预先设置的转速运算函数中，使用由所述压力计测部计测出的压力值，运算所述旋转轴的转速，对所述旋转控制部发出指令。2.根据权利要求1所述的氮产生装置，具备：原料空气压缩机，其用于控制比所述主热交换器靠上游的原料空气的供给...

【专利技术属性】
技术研发人员：广濑献儿，永田大祐，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：