大液体量空分装置流程形式的选择

骞绍显,彭喜魁,张伟杰,运 萌

(开封空分集团设计研究院有限公司 河南 开封 魏都路189号 475004)

0 引 言

近几年来随着国家生态环境保护政策的强制要求，企业和气体公司的生产经营模式对空分装置产品的需求发生着很大的变化，改变了以往单一的气体空分装置或者全液体空分装置的需求，变成既要同时满足正常气体产品的需求，又要兼顾大液体量的生产。常规气体空分装置和常规全液体空分装置显然不能满足企业和气体公司的生产需要，会造成装置能耗的增加，不利于节能减排和生态环境保护。在这种形势下，制取大液体量的空分装置的研发已成为一种趋势，这种空分装置既满足了常规气体产品的要求，又可以同时制取大量的液体产品，融合了常规气体空分装置和常规全液体空分装置的优点，气体产品和液体产品同时满足用户的不同需求，改善了气液供求不平衡的状况，又降低了能耗。

1 流程简述

1.1 高温增压端中抽流程

原料空气经净化后直接进入循环空气增压机进一步压缩至所需压力后分为两部分：一部分进入主换热器冷却至一定温度后从其上部抽出去高温膨胀机的膨胀端膨胀后分为两股：一股进入主换热器被返流气体复热至常温后进入循环空气压缩机入口作为循环气，另一股进入主换热器进一步冷却至接近液化温度后进入下塔参与精馏；另一部分经高温膨胀机的增压端增压后分为两股：一股经主换热器冷却至接近液化温度后节流去下塔参与精馏，另一股继续经低温膨胀机的增压端增压后被主换热器冷却至一定温度后从其中部抽出去低温膨胀机的膨胀端膨胀后，经气液分离器的分离，气体进下塔参与精馏，液体进上塔参与精馏。

在下塔中，空气被初步分离成氮和富氧液空，顶部氮气在冷凝蒸发器中被冷凝为液体，同时主冷的低压侧液氧被气化，部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮从下塔顶部引出，经过冷器被返流氮气和污氮气过冷节流后，一部分送入上塔顶部参加精馏，一部分作为液氮产品送入液体贮存系统。下塔底部的富氧液空出下塔在过冷器中过冷后进入精氩塔底的蒸发器中用来蒸发精氩塔底部的液氩，同时富氧液空本身被冷却，然后经节流进入粗氩塔顶部的冷凝器用作粗氩塔冷凝器的冷源，大部分富氧液空液体回流至上塔参与精馏，部分富氧液空被蒸发为液空蒸气返回上塔参与精馏。下塔中下部的贫液空出下塔在过冷器中过冷后分为两部分：一部分节流进入上塔参与精馏，一部分节流进入精氩塔顶部的冷凝器用作冷源，被蒸发为液空蒸气返回上塔参与精馏。

经上塔精馏后在其顶部得到纯氮气，上部得到污氮气，底部得到液氧，氮气从上塔顶部引出，在过冷器及主换热器中复热后作为低压氮气产品出冷箱；污氮气从上塔上部引出，在过冷器及主换热器中复热后出冷箱，一部分作为分子筛吸附器的再生气体，一部分通过预冷系统回收冷量后放空；液氧从冷凝蒸发器抽出一部分作为产品液氧送入液体贮存系统，一部分液氧经液氧泵加压后进入主换热器复热至常温后出冷箱。

从上塔相应部位抽出氩馏分气体，氩馏分直接从粗氩塔Ⅱ的底部导入，粗氩塔Ⅱ上部采用粗氩塔Ⅰ底部排出的粗液氩作回流液，作为回流液的粗液氩经液氩泵加压后直接进入粗氩塔Ⅱ上部。粗氩自粗氩塔Ⅱ顶部排出，经粗氩塔Ⅰ底部导入，粗氩冷凝器采用经精氩塔蒸发器冷却后的富氧液空作冷源，大部分上升气体在粗氩冷凝器中被液化，冷凝的粗液氩作为回流液回粗氩塔Ⅰ、Ⅱ。粗氩塔冷凝器中大部分富氧液空液体和蒸发后的液空蒸气返回上塔参与精馏。在粗氩塔I顶部抽出粗氩气进入精氩塔中部，在精氩塔蒸发器侧利用下塔底部来的富氧液空作为热源，促使精氩塔底部的液氩蒸发成上升蒸气，来自过冷器过冷并经节流的贫液空进入精氩塔冷凝器作为冷源，使精氩塔顶部产生回流液，以保证塔内的精馏，实现氩氮分离，从而在精氩塔底部得到纯液氩。

从粗氩塔Ⅰ下部抽出液氧馏分进入纯氧塔作为回流液，与纯氧塔塔底蒸发器来的上升气进行精馏，绝大部分富含氩、氮的氧组分从纯氧塔顶部排出再返回粗氩塔Ⅰ下部，在纯氧塔塔釜得到高纯液氧。纯氧塔蒸发器的热源为来自于下塔顶部的纯氮气，该氮气在高纯氧塔蒸发器中被冷凝成液氮再返回上塔参加精馏。

采用高低温膨胀机双膨胀制冷，又各自在膨胀端抽出部分流体，可以采用不同的高低温膨胀气流量和高低温膨胀气温度来调整换热器的温差，既充分利用了制冷的潜力，又增加操作可调性，使之满足不同液体量的要求以及变负荷生产，具体流程如图1所示。

1.2 循环压缩机末级中抽流程

原料空气经净化后直接进入循环空气增压机进一步压缩至所需压力后分为三部分：第一部分被主换热器冷却至接近液化温度后节流去下塔参与精馏；第二部分进入主换热器冷却至一定温度后从其上部抽出去高温膨胀机的膨胀端膨胀后分为两股：一股进入主换热器被返流气体复热至常温后进入循环空气压缩机入口作为循环气，一股进入主换热器进一步冷却至接近液化温度后进入下塔参与精馏；第三部分依次经高温膨胀机的增压端和低温膨胀机的增压端增压后分为两股：一股经主换热器冷却至接近液化温度后节流去下塔参与精馏，另一股被主换热器冷却至一定温度后从其中部抽出去低温膨胀机的膨胀端膨胀后，经气液分离器的分离，气体进下塔参与精馏，液体进上塔参与精馏。下塔和上塔精馏以及制氩和制高纯氧系统与高温增压端中抽流程相同，不再赘述，具体流程如图2所示。

2 流程模拟计算和能耗比较

笔者结合以往企业和用户的询价参数以及执行的项目情况，选取一典型的参数来进行流程模拟计算和能耗比较，其参数如表1。

AF：自洁式空气过滤器；AC：空气压缩机；MS：分子筛吸附器；BC:循环压缩机；B1：高温膨胀机增压端；ET1：高温膨胀机膨胀端；B2：低温膨胀机增压端；ET2：低温膨胀机膨胀端；WE1、WE2：冷却器；EH：主换热器；EL：过冷器；C1：下塔； C2：上塔；K：主冷； C3、C5：粗氩塔；C4：精氩塔；C6：纯氧塔；OP：液氧泵； AP：液氩泵

图1高温增压端中抽流程

Fig.1 High temperature booster end middle extraction process

AF：自洁式空气过滤器；AC：空气压缩机；MS：分子筛吸附器；BC：循环压缩机；B1：高温膨胀机增压端；ET1：高温膨胀机膨胀端；B2：低温膨胀机增压端；ET2：低温膨胀机膨胀端；WE1、WE2：冷却器；EH：主换热器；EL：过冷器；C1：下塔；C2：上塔；K：主冷；C3、 C5：粗氩塔；C4：精氩塔；C6：纯氧塔 ；OP：液氧泵；AP：液氩泵针对上述两种不同的流程组织形式，根据表1的产品参数，分别进行模拟计算，计算结果见表2。

图2 循环压缩机末级中抽流程

表2 装置能耗比较

对比两种流程组织形式，主换热器热端温差和冷端温差曲线如图3和图4所示：

图3 高温增压端中抽流程主换热器热端和冷端温差曲线

图4 循环压缩机末级中抽流程主换热器热端和冷端温差曲线

3 流程特点分析

针对选取的产品参数，需要的原料空气量是一定的，考虑到产品参数的压力特点，低压原料空气不再单独进主换热器参与换热，而是全部作为循环气量直接进入循环压缩机进一步压缩至所需压力，这样可以减少低压空气在主换热器中的阻力损失，减少了一部分能耗。

相比于全液体空分，此种大液体量的气体空分装置需要制冷量小，所需循环气量要小的多，循环气量的补充主要来自于高温膨胀机膨胀后复热来的气量。

对于增压空气在超临界压力以下时，存在一个最佳的增压复热压力点，在超临界压力以上时，存在一个最佳的增压复热压力区，在选择增压机末级排气压力时要充分考虑上述因素的影响，并要同机组投资相结合，防止引起机器跨档导致投资增加。

低温中压膨胀进下塔的流程，机后尽可能带液，膨胀机后带液体量越大，能耗越低，但带液体量受制于膨胀机组的制造水平，不可能过高。低温膨胀机后气液混合物通过设置一分离器分离，液体直接去上塔参与精馏，气体进下塔参与精馏，这样的设置摒弃了传统的气液混合物全部进下塔流程，避免了出现膨胀机的位置设置的麻烦，同时液体直接去上塔精馏，也减少了部分下塔液空经过冷器过冷时的热负荷。

设置高温膨胀机，膨胀后一部分复热出换热器参与循环，另一部分再次返回主换热器冷却至接近液化温度后进下塔参与精馏，这样可以降低换热器热段不可逆损失，节省能耗。

循环压缩机末级中抽或者高温膨胀机增压端中抽流路的设置，是考虑到与高压液氧的换热，使之品质更匹配，同时通过中抽气量和膨胀后温度的调节，更有利于主换热器的温差调节，节省了能耗。通过比较，高温膨胀机增压端中抽流程的能耗比循环压缩机末级中抽流程较省，同时高温膨胀机增压端中抽流程中主换热器的压力等级较低，制造成本较低，节省了设备的投资成本。