騫紹顯,彭喜魁,張偉杰,運(yùn) 萌

(開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 河南 開封 魏都路189號 475004)

0 引 言

近幾年來隨著國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的強(qiáng)制要求，企業(yè)和氣體公司的生產(chǎn)經(jīng)營模式對空分裝置產(chǎn)品的需求發(fā)生著很大的變化，改變了以往單一的氣體空分裝置或者全液體空分裝置的需求，變成既要同時(shí)滿足正常氣體產(chǎn)品的需求，又要兼顧大液體量的生產(chǎn)。常規(guī)氣體空分裝置和常規(guī)全液體空分裝置顯然不能滿足企業(yè)和氣體公司的生產(chǎn)需要，會(huì)造成裝置能耗的增加，不利于節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。在這種形勢下，制取大液體量的空分裝置的研發(fā)已成為一種趨勢，這種空分裝置既滿足了常規(guī)氣體產(chǎn)品的要求，又可以同時(shí)制取大量的液體產(chǎn)品，融合了常規(guī)氣體空分裝置和常規(guī)全液體空分裝置的優(yōu)點(diǎn)，氣體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品同時(shí)滿足用戶的不同需求，改善了氣液供求不平衡的狀況，又降低了能耗。

1 流程簡述

1.1 高溫增壓端中抽流程

原料空氣經(jīng)凈化后直接進(jìn)入循環(huán)空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮至所需壓力后分為兩部分：一部分進(jìn)入主換熱器冷卻至一定溫度后從其上部抽出去高溫膨脹機(jī)的膨脹端膨脹后分為兩股：一股進(jìn)入主換熱器被返流氣體復(fù)熱至常溫后進(jìn)入循環(huán)空氣壓縮機(jī)入口作為循環(huán)氣，另一股進(jìn)入主換熱器進(jìn)一步冷卻至接近液化溫度后進(jìn)入下塔參與精餾；另一部分經(jīng)高溫膨脹機(jī)的增壓端增壓后分為兩股：一股經(jīng)主換熱器冷卻至接近液化溫度后節(jié)流去下塔參與精餾，另一股繼續(xù)經(jīng)低溫膨脹機(jī)的增壓端增壓后被主換熱器冷卻至一定溫度后從其中部抽出去低溫膨脹機(jī)的膨脹端膨脹后，經(jīng)氣液分離器的分離，氣體進(jìn)下塔參與精餾，液體進(jìn)上塔參與精餾。

在下塔中，空氣被初步分離成氮和富氧液空，頂部氮?dú)庠诶淠舭l(fā)器中被冷凝為液體，同時(shí)主冷的低壓側(cè)液氧被氣化，部分液氮作為下塔回流液，另一部分液氮從下塔頂部引出，經(jīng)過冷器被返流氮?dú)夂臀鄣獨(dú)膺^冷節(jié)流后，一部分送入上塔頂部參加精餾，一部分作為液氮產(chǎn)品送入液體貯存系統(tǒng)。下塔底部的富氧液空出下塔在過冷器中過冷后進(jìn)入精氬塔底的蒸發(fā)器中用來蒸發(fā)精氬塔底部的液氬，同時(shí)富氧液空本身被冷卻，然后經(jīng)節(jié)流進(jìn)入粗氬塔頂部的冷凝器用作粗氬塔冷凝器的冷源，大部分富氧液空液體回流至上塔參與精餾，部分富氧液空被蒸發(fā)為液空蒸氣返回上塔參與精餾。下塔中下部的貧液空出下塔在過冷器中過冷后分為兩部分：一部分節(jié)流進(jìn)入上塔參與精餾，一部分節(jié)流進(jìn)入精氬塔頂部的冷凝器用作冷源，被蒸發(fā)為液空蒸氣返回上塔參與精餾。

經(jīng)上塔精餾后在其頂部得到純氮?dú)猓喜康玫轿鄣獨(dú)?，底部得到液氧，氮?dú)鈴纳纤敳恳?，在過冷器及主換熱器中復(fù)熱后作為低壓氮?dú)猱a(chǎn)品出冷箱；污氮?dú)鈴纳纤喜恳?，在過冷器及主換熱器中復(fù)熱后出冷箱，一部分作為分子篩吸附器的再生氣體，一部分通過預(yù)冷系統(tǒng)回收冷量后放空；液氧從冷凝蒸發(fā)器抽出一部分作為產(chǎn)品液氧送入液體貯存系統(tǒng)，一部分液氧經(jīng)液氧泵加壓后進(jìn)入主換熱器復(fù)熱至常溫后出冷箱。

從上塔相應(yīng)部位抽出氬餾分氣體，氬餾分直接從粗氬塔Ⅱ的底部導(dǎo)入，粗氬塔Ⅱ上部采用粗氬塔Ⅰ底部排出的粗液氬作回流液，作為回流液的粗液氬經(jīng)液氬泵加壓后直接進(jìn)入粗氬塔Ⅱ上部。粗氬自粗氬塔Ⅱ頂部排出，經(jīng)粗氬塔Ⅰ底部導(dǎo)入，粗氬冷凝器采用經(jīng)精氬塔蒸發(fā)器冷卻后的富氧液空作冷源，大部分上升氣體在粗氬冷凝器中被液化，冷凝的粗液氬作為回流液回粗氬塔Ⅰ、Ⅱ。粗氬塔冷凝器中大部分富氧液空液體和蒸發(fā)后的液空蒸氣返回上塔參與精餾。在粗氬塔I頂部抽出粗氬氣進(jìn)入精氬塔中部，在精氬塔蒸發(fā)器側(cè)利用下塔底部來的富氧液空作為熱源，促使精氬塔底部的液氬蒸發(fā)成上升蒸氣，來自過冷器過冷并經(jīng)節(jié)流的貧液空進(jìn)入精氬塔冷凝器作為冷源，使精氬塔頂部產(chǎn)生回流液，以保證塔內(nèi)的精餾，實(shí)現(xiàn)氬氮分離，從而在精氬塔底部得到純液氬。

從粗氬塔Ⅰ下部抽出液氧餾分進(jìn)入純氧塔作為回流液，與純氧塔塔底蒸發(fā)器來的上升氣進(jìn)行精餾，絕大部分富含氬、氮的氧組分從純氧塔頂部排出再返回粗氬塔Ⅰ下部，在純氧塔塔釜得到高純液氧。純氧塔蒸發(fā)器的熱源為來自于下塔頂部的純氮?dú)猓摰獨(dú)庠诟呒冄跛舭l(fā)器中被冷凝成液氮再返回上塔參加精餾。

采用高低溫膨脹機(jī)雙膨脹制冷，又各自在膨脹端抽出部分流體，可以采用不同的高低溫膨脹氣流量和高低溫膨脹氣溫度來調(diào)整換熱器的溫差，既充分利用了制冷的潛力，又增加操作可調(diào)性，使之滿足不同液體量的要求以及變負(fù)荷生產(chǎn)，具體流程如圖1所示。

1.2 循環(huán)壓縮機(jī)末級中抽流程

原料空氣經(jīng)凈化后直接進(jìn)入循環(huán)空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮至所需壓力后分為三部分：第一部分被主換熱器冷卻至接近液化溫度后節(jié)流去下塔參與精餾；第二部分進(jìn)入主換熱器冷卻至一定溫度后從其上部抽出去高溫膨脹機(jī)的膨脹端膨脹后分為兩股：一股進(jìn)入主換熱器被返流氣體復(fù)熱至常溫后進(jìn)入循環(huán)空氣壓縮機(jī)入口作為循環(huán)氣，一股進(jìn)入主換熱器進(jìn)一步冷卻至接近液化溫度后進(jìn)入下塔參與精餾；第三部分依次經(jīng)高溫膨脹機(jī)的增壓端和低溫膨脹機(jī)的增壓端增壓后分為兩股：一股經(jīng)主換熱器冷卻至接近液化溫度后節(jié)流去下塔參與精餾，另一股被主換熱器冷卻至一定溫度后從其中部抽出去低溫膨脹機(jī)的膨脹端膨脹后，經(jīng)氣液分離器的分離，氣體進(jìn)下塔參與精餾，液體進(jìn)上塔參與精餾。下塔和上塔精餾以及制氬和制高純氧系統(tǒng)與高溫增壓端中抽流程相同，不再贅述，具體流程如圖2所示。

2 流程模擬計(jì)算和能耗比較

筆者結(jié)合以往企業(yè)和用戶的詢價(jià)參數(shù)以及執(zhí)行的項(xiàng)目情況，選取一典型的參數(shù)來進(jìn)行流程模擬計(jì)算和能耗比較，其參數(shù)如表1。

AF：自潔式空氣過濾器；AC：空氣壓縮機(jī)；MS：分子篩吸附器；BC:循環(huán)壓縮機(jī)；B1：高溫膨脹機(jī)增壓端；ET1：高溫膨脹機(jī)膨脹端；B2：低溫膨脹機(jī)增壓端；ET2：低溫膨脹機(jī)膨脹端；WE1、WE2：冷卻器；EH：主換熱器；EL：過冷器；C1：下塔； C2：上塔；K：主冷； C3、C5：粗氬塔；C4：精氬塔；C6：純氧塔；OP：液氧泵； AP：液氬泵

圖1高溫增壓端中抽流程

Fig.1 High temperature booster end middle extraction process

AF：自潔式空氣過濾器；AC：空氣壓縮機(jī)；MS：分子篩吸附器；BC：循環(huán)壓縮機(jī)；B1：高溫膨脹機(jī)增壓端；ET1：高溫膨脹機(jī)膨脹端；B2：低溫膨脹機(jī)增壓端；ET2：低溫膨脹機(jī)膨脹端；WE1、WE2：冷卻器；EH：主換熱器；EL：過冷器；C1：下塔；C2：上塔；K：主冷；C3、 C5：粗氬塔；C4：精氬塔；C6：純氧塔 ；OP：液氧泵；AP：液氬泵針對上述兩種不同的流程組織形式，根據(jù)表1的產(chǎn)品參數(shù)，分別進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 循環(huán)壓縮機(jī)末級中抽流程

表2 裝置能耗比較

對比兩種流程組織形式，主換熱器熱端溫差和冷端溫差曲線如圖3和圖4所示：

圖3 高溫增壓端中抽流程主換熱器熱端和冷端溫差曲線

圖4 循環(huán)壓縮機(jī)末級中抽流程主換熱器熱端和冷端溫差曲線

3 流程特點(diǎn)分析

針對選取的產(chǎn)品參數(shù)，需要的原料空氣量是一定的，考慮到產(chǎn)品參數(shù)的壓力特點(diǎn)，低壓原料空氣不再單獨(dú)進(jìn)主換熱器參與換熱，而是全部作為循環(huán)氣量直接進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮至所需壓力，這樣可以減少低壓空氣在主換熱器中的阻力損失，減少了一部分能耗。

相比于全液體空分，此種大液體量的氣體空分裝置需要制冷量小，所需循環(huán)氣量要小的多，循環(huán)氣量的補(bǔ)充主要來自于高溫膨脹機(jī)膨脹后復(fù)熱來的氣量。

對于增壓空氣在超臨界壓力以下時(shí)，存在一個(gè)最佳的增壓復(fù)熱壓力點(diǎn)，在超臨界壓力以上時(shí)，存在一個(gè)最佳的增壓復(fù)熱壓力區(qū)，在選擇增壓機(jī)末級排氣壓力時(shí)要充分考慮上述因素的影響，并要同機(jī)組投資相結(jié)合，防止引起機(jī)器跨檔導(dǎo)致投資增加。

低溫中壓膨脹進(jìn)下塔的流程，機(jī)后盡可能帶液，膨脹機(jī)后帶液體量越大，能耗越低，但帶液體量受制于膨脹機(jī)組的制造水平，不可能過高。低溫膨脹機(jī)后氣液混合物通過設(shè)置一分離器分離，液體直接去上塔參與精餾，氣體進(jìn)下塔參與精餾，這樣的設(shè)置摒棄了傳統(tǒng)的氣液混合物全部進(jìn)下塔流程，避免了出現(xiàn)膨脹機(jī)的位置設(shè)置的麻煩，同時(shí)液體直接去上塔精餾，也減少了部分下塔液空經(jīng)過冷器過冷時(shí)的熱負(fù)荷。

設(shè)置高溫膨脹機(jī)，膨脹后一部分復(fù)熱出換熱器參與循環(huán)，另一部分再次返回主換熱器冷卻至接近液化溫度后進(jìn)下塔參與精餾，這樣可以降低換熱器熱段不可逆損失，節(jié)省能耗。

循環(huán)壓縮機(jī)末級中抽或者高溫膨脹機(jī)增壓端中抽流路的設(shè)置，是考慮到與高壓液氧的換熱，使之品質(zhì)更匹配，同時(shí)通過中抽氣量和膨脹后溫度的調(diào)節(jié)，更有利于主換熱器的溫差調(diào)節(jié)，節(jié)省了能耗。通過比較，高溫膨脹機(jī)增壓端中抽流程的能耗比循環(huán)壓縮機(jī)末級中抽流程較省，同時(shí)高溫膨脹機(jī)增壓端中抽流程中主換熱器的壓力等級較低，制造成本較低，節(jié)省了設(shè)備的投資成本。