高纯氦气氮气氩气氧气乙炔特种气体

低能耗中压氮气制取工艺及技术优势

根据专利CN111141110B，该工艺通过双塔精馏 + 增压循环 + 冷能优化实现中压氮气（20-36 bar）的高效制取，能耗比传统工艺降低30%以上。以下为详细解析及工业应用实例：

一、核心工艺流程与设备

1. 系统组成（冷箱内外协同）

2. 流程关键步骤（结合图1）

graph LR
    A[空气过滤] --> B[压缩至0.6-1.3 MPa]
    B --> C[预冷至5-8℃]
    C --> D[分子筛纯化]
    D --> E[主换热器冷却]
    E --> F[分流：①进精馏塔Ⅰ ②低温冷冻机]
    F --> G[精馏塔Ⅰ分离液空/压力氮]
    G --> H[液空→过冷→主冷凝器Ⅰ→精馏塔Ⅱ]
    G --> I[压力氮→部分冷凝为液氮（回流）]
    H --> J[精馏塔Ⅱ分离富氧液空/氮气]
    J --> K[氮气→主冷凝器Ⅱ→液氮（产品/回流）]
    I --> L[剩余压力氮→循环氮压机→中压产品]
    L --> M[余气→膨胀制冷→精馏塔Ⅰ顶部]

（图1：工艺装置流程图，冷箱内外设备协同布局）

二、创新节能技术

1. 双塔双冷凝设计

• 精馏塔Ⅰ：产出压力氮气（7-9.5 bar）直接用于中压氮气原料，避免常压氮气再压缩的高能耗。

• 精馏塔Ⅱ：处理富氧液空，分离出高纯氮气（经主冷凝器Ⅱ液化），部分液氮通过液氮泵增压回流至精馏塔Ⅰ，增强精馏效率（提取率＞99.5%）。

2. 冷能梯级利用

• 低温冷冻机：将主换热器出口空气从243-252 K冷却至233-242 K，降低主换热器30%热负荷。

• 膨胀制冷循环：余气经增压透平膨胀机膨胀至175-186 K，提供系统30%冷量，减少外供冷能需求。

3. 再生能量回收

精馏塔Ⅱ排出的污氮气（含氧量＜10%）复热后：

• 部分用于分子筛再生（经电加热器升温至150℃）。

• 其余直接放空，减少再生气消耗量50%。

三、应用实例：电子厂高纯氮气供应

1. 需求背景

• 产品要求：99.999%纯度，25 bar压力，流量5000 Nm³/h。

• 传统工艺痛点：单塔制氮电耗0.45 kWh/Nm³，双塔制常压氮+压缩综合电耗0.38 kWh/Nm³。

2. 本工艺实施参数

3. 能耗对比

四、技术优势总结

1. 高提取率：双塔精馏+液氮泵回流，氮气提取率＞99.5%（传统双塔≤95%）。

2. 低能耗：

• 压力氮气直接压缩至中压（循环氮压机能耗降40%）。

• 低温冷冻机+膨胀制冷替代部分液氮制冷，冷能成本降35%。

3. 高纯度：中压产品氧含量≤10 ppm，满足化工、电子、航天等领域要求。

4. 环保性：污氮气余热回收再生分子筛，减少电加热能耗50%。

行业价值：适用于大规模工业用氮（＞5000 Nm³/h），尤其对中压高纯氮气需求场景（如LNG冷能利用、半导体保护气），综合成本比深冷法降低30%，比膜分离法纯度提升3个数量级。