純氮流程的組織＊

卓躍光，王慶波

(開封空分集團有限公司，河南開封 475002)

隨著工業的迅速發展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領域獲得了廣泛的應用。氮氣是一種化學性質不活潑的氣體，不易與其他物質發生化學反應。因此，氮氣在冶金工業、食品冷凍、電子工業、化工工業中廣泛用來作為保護氣和密封氣，一般保護氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的純氮。

表1 產品規格Table 1 Product specification

純氮設備流程隨著用戶的氮氣需求量的增加，現在有許多新的技術應用到空分設備中，流程形式也在推陳出新，根據不同用戶也推出了針對性的流程，鑒于篇幅有限，下面對常用的低溫精餾法制取純氮的五種流程形式進行比較與分析，以供空分用戶在選擇工藝流程形式時進行參考。

表1列舉了某套裝置的產品要求。

根據用戶提供的空分裝置產品規格，對各種流程組織方案進行計算和比較后，提出以下五種具有代表性的流程組織方案。

1 方案一:傳統單塔流程組織方式

從冷箱出來直接得到0.8 MPa的壓力氮氣送往用戶。流程圖見圖1。

整套空分設備包括:空氣過濾系統、空氣壓縮系統、空氣預冷系統、分子篩純化系統、分餾塔系統、液體貯存系統、儀控系統、電控系統等。

空氣首先進入自潔式空氣過濾器，在空氣過濾器中除去灰塵和其它顆粒雜質，然后進入主空壓機，經過多級壓縮、級間冷卻器冷卻后進入空冷塔或者冷氣機組。

空氣在進入分子篩吸附器前在冷氣機組或者空冷塔中冷卻，以盡可能降低空氣溫度，減少空氣中水含量，從而降低分子篩吸附器的工作負荷，并對空氣進行洗滌。進入空冷塔的冷卻水來自循環水，進入空冷塔的冷凍水，在水冷塔中利用干燥的出分餾塔污氮氣進行冷卻，然后進入空冷塔上部。

分子篩純化系統由兩臺分子篩吸附器和兩臺電加熱器或者蒸汽加熱器組成，分子篩吸附器吸附空氣中的水分、二氧化碳和一些碳氫化合物，兩臺分子篩吸附器一臺工作，另一臺再生。再生氣的加熱由電加熱器或者蒸汽加熱器完成。

凈化后的空氣進入分餾塔，通過主換熱器、液化器與返流低溫廢氣和產品氮氣進行熱交換，冷卻后進入精餾塔底部，經過精餾分離為產品氮氣和富氧液空，塔底液空經過冷后節流進入冷凝蒸發器與氮氣相變換熱，液空蒸發為廢氣，氮氣冷凝后大部分作為精餾塔回流液，小部分作為液氮產品抽出送入液體貯槽。

廢氣由冷凝蒸發器頂部引出經過冷器、液化器復熱后去透平膨脹機膨脹，給裝置補增冷量，膨脹廢氣經過冷器、液化器、主換熱器復熱至常溫后出分餾塔，部分作為純化系統再生氣，其余進入預冷系統。

產品氮氣從精餾塔塔頂引出，經液化器、主換熱器復熱至常溫出分餾塔。

圖1 方案一:傳統單塔流程Fig.1 Option 1:conventional single-column process

2 方案二:傳統單塔流程+膨脹機增壓端增壓組織方式

從冷箱得到0.72 MPa的壓力氮氣，再經過膨脹機增壓端增壓到0.8 MPa后送往用戶。

方案二與方案一相比是利用膨脹機的增壓端將產品氮氣增壓，而方案一采用風機、油或者電制動。其余與方案一相同，詳見圖2。

3 方案三:單塔+氮壓機外壓縮流程組織方式

從冷箱得到0.4 MPa的壓力氮氣進入離心或者活塞氮氣壓縮機壓縮至0.8 MPa送給用戶，其余與方案一相同，詳見圖3。

4 方案四:雙塔+氮壓機外壓縮流程組織方式

從冷箱得到0.005 MPa的壓力氮氣進入活塞或者離心氮氣壓縮機壓縮至0.8 MPa，送給用戶。

流程組織詳見圖4，與常規的外壓縮流程形式相同，不再詳細描述。

5 方案五:雙塔+氮壓機外壓縮流程組織方式

從冷箱得到0.25 MPa的壓力氮氣進入離心氮氣壓縮機壓縮至0.8 MPa，送給用戶。流程組織詳見附圖5。

此種流程配有高壓塔與低壓塔，兩種精餾塔都帶有冷凝器，結構形式與方案一基本相同，操作壓力分別為0.7 MPa與0.3 MPa。氮氣是從低壓塔的頂部抽出，經過過冷器、換熱器復熱后送出冷箱。

針對五種方案，計算各自方案的能耗、投資及運行成本，如表2所示。

從以上各種流程形式對比情況來看，方案一的流程形式操作比較簡單、方便，采用直接提高空氣壓縮機的壓力來得到氮氣產品，由于下塔操作壓力高，從而主冷的操作壓力相應較高，可以達到0.4 MPa，如果廢氣全部膨脹，可以多提取一定比例的液氮，如在上述壓力、氮氣流量下，可以產出大約2900 Nm3/h的液氮，當然空氣壓縮機的流量也需要相應增加。此種流程形式不需要增加額外的機器，膨脹機采用風機制動，氮氣送出壓力比較穩定。

缺點是能耗較高，氮氣提取率低。如果企業有自己的發電廠或者采用汽輪機拖動空氣壓縮機而且價格便宜，此種方案為首選。

表2 五種方案的對比結果Table 2 Comparison among five options

方案二比方案一操作較復雜，產品氮氣從膨脹機的增壓端抽出，利用了膨脹機的膨脹功來提高產品氣的壓力，降低了空氣壓縮機的排氣壓力，比方案一節省部分能耗。

缺點是其產品氣的壓力需要根據膨脹機的做功來決定，在空分設計條件下，膨脹量越多，產品氣增加壓力越多，空壓機排氣壓力降低，反之相反。此種流程形式的缺點是如果空分在設計工況下，氮氣產品壓力可以達到0.8 MPa，但是如果空分液體量減少或者降低負荷運轉，這時產品氣壓力也要跟著變化，從而導致后續氣源的不穩定性，和方案一一樣，這種流程能耗較高，但是相對方案一較低。

方案三的分餾塔系統流路組織形式與方案一基本相同，只是增加了一臺氮氣壓縮機。這種方案空氣壓縮機排氣壓力0.48 MPa，從冷箱出來的產品氣為0.4 MPa，然后經過氮氣壓縮機壓縮至0.8 MPa。這種流程氮氣提取率較高，空氣壓縮機排壓降低。增加了一臺氮氣壓縮機投資增加約400萬，但是由于年運行成本較低，半年就可以回收，所以值得采用。

缺點是另外增加了一臺活塞式或者離心氮氣壓縮機，操作較復雜。另外由于下塔操作壓力為0.42 MPa，從而主冷操作壓力約為0.15 MPa，這樣膨脹機機前壓力約為0.14，機后壓力一般為0.035 MPa，膨脹比較小，從而膨脹量較大導致膨脹機葉輪較大。在大型純氮空分上就需要采用2臺以上的膨脹機。如果用戶要求壓力大于1.0 MPa，此種方案具有一定的競爭優勢。

方案四是常規的外壓縮流程形式，可以產氧、氮、液氧、液氮，同時可以副產液氬。低壓氧氣與氮氣分別從上塔的頂部與底部得到，從冷箱出來后壓力約為常壓，一般需要壓縮機來提高產品氣的壓力供用戶使用。此種流程形式為常規外壓縮空分設備，流程形式比較成熟，可以產出一定比例的氧氣，適合用戶需要氧氣或者周邊有需要氧氣或者液氧的企業。其投資最多，能耗一般。

方案五是在方案一的基礎上改進過來的流程形式，可以生產兩種氮氣產品，壓力分別為0.6 MPa與0.25 MPa，如果用戶需要0.25 MPa左右的低壓氮氣，采用此種流程形式具有一定的優勢。與上述四種方案相比，其能耗一般，投資較多，操作較復雜，產液量較少，另外氮氣壓縮機要進行非標設計，投資成本較高。

從以上方案比較可以看出，如果需要大液體的時候方案一、二比較適合，如果液體比例較少，方案三、四、五優先選用。

以上列舉了最常見的五種方案組織形式，在比較時也是限制氮氣壓力為0.8 MPa，但是實際上純氮流程的產品氣壓力一般從0.005～3.0 MPa不等，所以采用何種流程形式需要用戶及空分廠家根據實際情況、實際計算來找出適合用戶自己的方案，既節省投資、能耗，又為用戶帶來方便。