羅明輝，周 濤，歐陽宇龍，徐丹丹

（杭州杭氧低溫液化設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著各行各業(yè)的迅速發(fā)展，對氮氣的需求也有較大的增長，特別是液態(tài)氮氣具有便于儲存、運輸方便等優(yōu)點，越來越多的用戶選擇液體設(shè)備。全液體空分主要采用深冷精餾工藝分離空氣中的氧、氮等產(chǎn)品。

對于只需要生產(chǎn)液氮的大型全液體空分，從精餾的角度可采用單塔、常規(guī)氧氮雙塔及雙塔雙冷凝流程等3種流程。

本文以表1中參數(shù)作為設(shè)備性能指標(biāo)，對3種流程進行比較，探討各自優(yōu)缺點，為流程選擇提供依據(jù)。

表1 液氮裝置產(chǎn)品規(guī)格

1 單塔、常規(guī)氧氮雙塔及雙塔雙冷凝流程介紹

1.1 單塔流程組織方案

單塔流程簡圖如圖1所示。

凈化后的壓縮空氣進入主換熱器換熱后進入純氮塔，初步精餾后，在純氮塔底部獲得液空，在塔頂部獲得純氮氣。純氮氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱后進入循環(huán)氮壓機，繼續(xù)壓縮至2.7 MPa后，分成兩股，一股氮氣直接進入主換熱器，在其中被冷卻至一定溫度后從換熱器中部抽出，進入高溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體返流入主換熱器，在其中復(fù)熱至常溫后進入循環(huán)氮壓機進口，形成一個循環(huán)；另外一股氮氣先后在高溫、低溫膨脹機的增壓端增壓冷卻后進入主換熱器E1，在其中被冷卻至一定溫度后再分成兩股，其中的一大股抽出換熱器進入低溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體回流入主換熱器，復(fù)熱后回流入循環(huán)氮壓機進口。抽出一股高壓的氮氣節(jié)流后進入下塔作為回流液，從下塔頂部抽出10000 Nm3/h作為產(chǎn)品輸出送入貯槽。

純氮塔抽取的液空，進入液空過冷器E2過冷后送入冷凝蒸發(fā)器，蒸發(fā)后經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱后出冷箱。

1.2 常規(guī)氧氮雙塔流程組織方案

常規(guī)雙塔流程簡圖如圖2所示。

凈化后的加工空氣進入中壓換熱器，在其中被冷卻至飽和后進入下塔參與精餾。

空氣經(jīng)下塔初步精餾后，在下塔獲得液空和純液氮。從下塔抽取液空、純液氮，經(jīng)液空液氮過冷器過冷后液空節(jié)流進入上塔，液氮部分作為產(chǎn)品，其余節(jié)流進入上塔。經(jīng)上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得氧氣，復(fù)熱后出冷箱。

上塔頂部抽取的純氮氣經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱后經(jīng)氮氣輸送機增壓后，與從低溫膨脹機返流的膨脹氮氣及從高溫膨脹機返流的循環(huán)氮氣混合進入中壓循環(huán)氮壓機，被繼續(xù)壓縮，冷卻后分成兩股，一股直接進入中壓換熱器，在其中冷卻后抽出進入高溫膨脹機，膨脹制冷后經(jīng)中壓換熱器復(fù)熱后回到循環(huán)氮壓機進口，另外一股中壓氮氣先后經(jīng)高溫膨脹機、低溫膨脹機的增壓端增壓后進入主換熱器，在其中被冷卻后，大部分抽出進入低溫膨脹機膨脹，復(fù)熱后回到循環(huán)氮壓機進口，其余的氮氣被繼續(xù)冷卻液化，出換熱器后節(jié)流，得到的液體回流到下塔頂部參與精餾。

從上塔的中上部獲得污氮氣，經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱后出冷箱，進入電加熱器作為分子篩的再生氣體。

圖1 單塔流程簡圖

圖2 常規(guī)氧氮雙塔流程簡圖

1.3 雙塔雙冷凝蒸發(fā)器流程組織方案

雙塔雙冷凝蒸發(fā)器流程簡圖如圖3所示。

凈化后的壓縮空氣進入主換熱器換熱后進入純氮下塔，初步精餾后，在下塔底部獲得液空，頂部獲得純氮氣和液氮。

純氮氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱后進入循環(huán)氮壓機，繼續(xù)壓縮至2.7 MPa后，分成兩股，一股氮氣直接進入主換熱器，在其中被冷卻至一定溫度后從換熱器中部抽出，進入高溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體返流入主換熱器，在其中復(fù)熱至常溫后進入循環(huán)氮壓機進口，形成一個循環(huán)；另外一股氮氣先后在高溫、低溫膨脹機的增壓端增壓冷卻后進入主換熱器E1，在其中被冷卻至一定溫度后再分成兩股，其中的一大股抽出換熱器進入低溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體回流入主換熱器，復(fù)熱后回流入循環(huán)氮壓機進口。抽出一股高壓的氮氣節(jié)流后送入下塔做回流液。

液空經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進入純氮上塔底部參與進一步精餾。在上塔頂部獲得液氮，底部獲得污液氮。污液氮節(jié)流后進入上塔冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)后，經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱后出冷箱。液氮與下塔抽取的液氮匯合后作為產(chǎn)品。

圖3 雙塔冷凝蒸發(fā)器雙塔流程簡圖

2 三種流程方案數(shù)據(jù)及優(yōu)缺點對比

根據(jù)以上三種流程，擬定3個方案進行比較，如表2。

由表2可知，總能耗從低到高依次為雙塔雙冷凝蒸發(fā)器流程、單塔流程、常規(guī)氧氮雙塔流程。但考慮到業(yè)主的使用場合特殊，設(shè)備將面臨頻繁起停，因此我們認為單塔流程從能耗和使用場景上看是最優(yōu)選擇。以下再細致分析選擇依據(jù)：

（1）單塔流程啟動時只需一個塔建立工況，操作和調(diào)純相對簡單，和雙塔流程相比，啟動時間可以縮短12 h以上，按設(shè)備每年開停車12次考慮，設(shè)備每年在啟動上可節(jié)約能耗7500×12×12=108×104kW。

（2）單塔流程冷箱高度約20 m，雙塔雙冷凝器流程冷箱高在35～40 m，而常規(guī)雙塔流程冷箱可能達到50 m。鋁材常溫至深冷低溫狀態(tài)，收縮率約為3.5/1000。冷箱越高，收縮量越大，所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也就越大。在頻繁的開停車過程中，單塔冷箱所產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力最小，可靠性安全性將更高。

（3）單塔流程冷凝蒸發(fā)器底部液空含氧最高可達60%，雙塔雙冷凝流程最高可達70%，而含氧量越低，越不容易引起碳氫化合物的積聚爆炸，也就越安全。

（4）單塔流程污氮氣含氧量為39%，雙塔雙冷凝流程為51%，污氮用于分子篩再生需電加熱管加熱至170℃，這種情況下氧含量越低運行越安全。

（5）相比有空壓機、氮氣輸送機和循環(huán)氮壓機3臺動設(shè)備，單塔流程只有空壓機和循環(huán)氮壓機2臺動設(shè)備；并且相比常規(guī)氧氮雙塔流程和雙塔雙冷凝器流程，精餾過程簡潔，控制調(diào)節(jié)少，操作簡便，上手快，因此維護成本更低。

（6）相比雙塔雙冷凝器流程，單塔流程主冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)含氧量低，飽和溫度低，在保證主冷溫差的前提下，下塔的飽和溫度和壓力也低，下塔抽取的壓力氮經(jīng)循環(huán)氮壓機壓縮后再經(jīng)兩級膨脹機增壓端增壓后的壓力不超過6.0 MPa，換熱單元的可靠性高。

表2 單塔、常規(guī)氧氮雙塔、雙塔雙冷凝蒸發(fā)器流程能耗及優(yōu)缺點對比

3 總結(jié)

流程的選擇需要綜合考慮能耗、投資和使用狀態(tài)。如果只需要液氮產(chǎn)品，常規(guī)氧氮雙塔流程在能耗以及設(shè)備投資、操作維護等方面均沒有優(yōu)勢；雙塔雙冷凝流程雖然可節(jié)省約1.8%的能耗，但是流程相對繁瑣，操作維護復(fù)雜，同時精餾塔高，對于頻繁開停機不利；而單塔流程簡單，操作維護方便，動設(shè)備少，安全性、可靠性最高，設(shè)備投資最省。綜合比較，可以認為單塔流程是最佳選擇。