外液化及全液體空分裝置研究

蔣 旭

(深圳市海格金谷工業科技有限公司，廣東 深圳 福田 泰然大廈B座 518026)

0 引 言

隨著我國工業化進程的不斷推進，冶金、石化及新能源等產業對于空分產品的需求越來越多，規模也越來越大。對于這些行業空分產品需要量大的，一般采用投資設置氣站或者自建空分來滿足，對于小型而間斷的，則采用液體氣化供應的較多，這樣既投資小，而且較為靈活，只需要采購液體即可滿足生產需求，這種供應模式在當前我國產業大發展的形勢越來越有優勢，外賣液體產生更大的經濟效益成了空分投資者的最新要求。

1外液化及全液體裝置的制冷流路組織

隨著當前空分技術的發展，液化裝置的技術越來越成熟，外液化和全液體裝置流程一般有三大流路：中高壓循環介質液化流路；多股流換熱器熱段冷補償流路(一般是采用高溫膨脹機)；多股流換熱器冷段制冷流路(一般采用低溫膨脹機)。

對于外液化及全液體的流程，一般有這樣幾個量來決定其整體能耗，即中壓液化空氣(氮氣)量，高溫膨脹機的量及中抽溫度，低溫膨脹機的量及中抽溫度，以下詳細分析各要素對裝置整體能耗的影響。

1.中壓液化空氣量：決定冷端溫差的大小，量大則冷端溫差大，但氣化率高，會導致過冷度??；量小則冷端溫差小，甚至負溫差。

2.高溫膨脹機的量及中抽溫度：中抽溫度高，制冷量大，但是最小溫差，會導致出現在低溫膨脹機中抽往下。換熱器積分溫差減小。量大同樣會使冷量增大，但是會使換熱器溫差減小。中抽溫度低，會使溫差擴大，但是冷量減小，通過量來調節積分溫差與冷量的矛盾。但是量大時會導致低溫膨脹機的量減小，帶液量增大，會導致低溫膨脹機機前帶液。

3.低溫膨脹機的量及中抽溫度：中抽溫度高，制冷量大，機后帶液少，但是會使溫差減小。量大會使冷量減小，因為高溫膨脹機的量減小，高溫膨脹機的制冷量大，高溫高焓降。中抽溫度低，帶液量大，會使溫差縮小或者出現交叉。

2 壓縮機組配置

外液化及全液體空分裝置所應用到的壓縮機有空壓機、循環增壓機及補充壓縮機。空壓機、循環增壓機、補充壓縮機一般入口壓力為常壓，排壓0.56 MPa(A)左右，氣量較小，對于補充壓縮機一般有活塞式和離心式。

機器型式都各有特點，性能及效率相差不多，而且較為成熟。國產壓縮機的選擇也較多，但是整體性能和效率不及進口，而且價格不占太大優勢；一般氮氣循環需要配置，空氣循環直接由原料氣壓縮機提供。

3 制冷與換熱匹配分析

3.1 低溫膨脹機

一般液體裝置需要配置中壓膨脹機。不帶空分裝置，直接不帶液復熱出板翅式換熱器；如果帶空分裝置，膨脹空氣所帶液體進下塔，可配置外壓縮或者內壓縮流程，從增壓機2.2 MPa，2.8 MPa中抽，一般第三級中抽較多，或者從增壓機末級抽，適合產液體量50%～100%。

中壓膨脹機優先帶液體，因為低壓液體的品質較高，中高壓液體節流后有氣化，要求設置氣液分離罐，膨脹后出換熱器的不設置分離罐的，不允許帶液體，要求過熱3 K～8 K，防止液體在低點積聚，對管路形成很大的阻力，同時氣體換熱帶液也是禁忌，當然一般帶1%以內液體的氣體均可以將液體帶走。

換熱如果不配置冷源，則由于中抽量大，換熱流體壓力不等而導致換熱器溫差不均勻，膨脹流路中抽段溫差較大，需要更多冷量均衡由熱段所積聚來的熱量，同時能耗則要較熱段有冷源的高出10%左右。

圖1 無換熱器熱段冷卻的冷熱流體積分溫差圖

3.2 換熱器熱段冷源

3.2.1配置低溫冷氣機組

低溫冷氣機組一般制冷最低溫度只能到243 K，其工質溫度可以到238 K。配置低溫冷氣機組一般用于全液體裝置和外液化裝置液體量3000 Nm3/h以下，主要是由于膨脹空氣量大，換熱器中抽后板式的抽口以下熱流體不足，為了滿足換熱，增大熱流體負荷，導致抽口以上主換熱器熱段的熱負荷太大，配置低溫冷氣機組可使換熱器溫熱段溫差減小，同時有效利用了換熱器熱段潛力，有利于降低能耗。低溫冷氣機組帶走一小部分冷量的同時，也實現了補充換熱器熱段冷量的目的，最終減小換熱器熱端運行溫差，降低了能耗。

有預冷的中壓膨脹流程將帶走了膨脹和液化熱流體的熱負荷，減少了冷卻正流熱流體所需求的冷負荷，階梯擴大了熱端溫差，減少了制冷所需要的工質流量，降低了能耗。

圖2 有低溫冷氣機組的冷熱流體積分溫差圖

3.2.2配置高溫膨脹機

配置高溫膨脹機一般用于全液體裝置和外液化裝置液體量3000 Nm3/h以上，主要是由于膨脹空氣量大，換熱器中抽后板式的抽口以下熱流體不足，為了滿足換熱，增大熱流體負荷，導致抽口以上換熱器熱段熱負荷太大，配置高溫膨脹機可使換熱器熱段溫差減小，整個換熱器溫差更均勻，有效利用了換熱器熱段潛力，降低不可逆損失，有利于降低能耗，同時高溫膨脹機高溫高焓降，對制冷有利。

高低溫膨脹流路高溫膨脹機的量一般是低溫膨脹機的0.8倍左右，高溫膨脹機高溫高焓降，溫度高對制冷有利，但是對換熱不利，因為換熱器熱段相對冷段來說換熱溫差小，熱負荷不足，所以高溫膨脹機中抽溫度低，換熱器所需的面積較小。

圖3 有低溫膨脹機的冷熱流體積分溫差圖

4 工質制冷循環流程

由于氣體的壓力高，其換熱的品質也高，在制冷液化流路當中主要靠冷流體冷卻熱流體液化產液體，換熱負荷主要集中在冷段；所以冷卻中壓的熱流體所需要的冷負荷返流的冷流體不能滿足，需要更大的低溫流體去冷卻，從而導致能耗增大；對于低溫冷氣機組的流程，對換熱器的高溫段進行一次冷補償，理論上也可以多次，減小積分溫差，相當于增強熱段的冷流體的負荷，從而使得膨脹空氣量減少，能耗降低；對于高低溫膨脹機的流程，高溫膨脹機獲取低溫后，去冷卻換熱器的高溫段，冷卻正流的熱流體，相當于增強了換熱器高溫段的冷負荷，對高壓換熱器的熱段進行冷補償，減小積分溫差，從而使得制冷的膨脹空氣量減少，增壓能耗降低。也即換熱時高壓的流體換熱熱負荷有富余，使得所需換熱面積減小，而換熱時最終會將冷量作為產品積聚在冷端，使氣體液化。同時換熱時同一高度上要求冷流體比熱流體的溫度低2 K～3 K,不可出現冷流體復熱熱流體，不允許出現跨通道換熱，反向換熱出現負溫差的現象。

5 產液體裝置流程選擇

如果有富余氣體需要液化外賣，則需要投資外液化裝置，如果無現有氣體，則需要投資全液體空分裝置。

流程選擇而言，對于全液體空分裝置，當總的液體量小于1000 Nm3/h時，采用空氣直接膨脹循環制冷的流程；當總的液體量在1000～3000 Nm3/h，采用有預冷的單膨脹循環制冷流程；當總的液體量在3000 Nm3/h以上時，采用中壓外循環雙膨脹的流程。在液氧，液氮的比例大于1時；采用空氣循環的流程能耗低；當液氧，液氮比例小于1時；采用氮氣循環流程的能耗低。

對于外液化裝置一般循環工質為氮氣，制冷液化流路與全液體裝置完全相同。

6 流體換熱品質分析

氣體壓力高，其復熱換熱品質也高，壓力低，其冷卻換熱品質高。高壓的正流氣體與低壓的返流氣體換熱，會使正流的熱量積蓄，換熱器的低溫段溫差擴大。帶低溫冷氣機組的液體空分正是利用正流中壓空氣換熱品質高的特點，先將制冷及液化流路的中壓空氣預冷，帶走一部分熱量，降低其焓值，利于減小熱段換熱積蓄的熱負荷的換熱，縮小冷段的冷負荷，使得冷流體和熱流體的換熱溫差更加均衡。(換熱器冷端決定熱端的原則：即冷端由流體性質先決定，產液體時與制冷和液化流路有關，熱端由熱負荷來決定。

7 超臨界換熱

由于超臨界狀態換熱均勻，具有很好的性能，所以一般選擇3.1 MPa(A)作為循環機的排壓(膨脹機增壓端增壓后壓力在臨界壓力之上)，使得高壓液化空氣能夠很均勻的換熱，能節省一定的能耗，尤其冷端不至于需要大量高品質冷量才能液化，這是超臨界壓力換熱較臨界壓力以下流體換熱的優勢。

8 制冷方式比較

空分制冷流路：有預冷的(帶冷氣機組)的，利用高壓換熱器熱段的潛力增加高溫段的制冷量，從而增加液體產品的產量；高低溫膨脹機的流程：既充分利用了膨脹機高溫高焓降的特點，又降低了換熱器不可逆損失，降低了能耗。

制冷流路為：3.1 MPa的高壓空氣，當為氮氣時，壓力為2.7 MPa，一部分制冷，一部分液化，主要為膨脹機后膨脹空氣(氮氣)液化高壓空氣(氮氣)，空分制冷的核心是降低膨脹和液化氣體的焓值，獲取低溫，傳導低溫冷量產液體。

有低溫冷氣機組的附加冷源先傳導一部分冷量，使得返流的冷流體的冷量積聚在冷端，冷流體在外抽段未同熱流體傳導冷量，相當于對冷流體進行了冷補償。

低壓液體的品質較高，但是不易獲得，而高壓液體的品質較低，容易液化獲得，液體進貯槽(真空)泄壓以后進去，液柱靜壓0.1 MPa(G)，一般會有10%左右的氣化損失。

9 裝置能耗分析

結合國內外在運行的外液化及全液體裝置情況，外液化裝置的產品綜合能耗0.75 kW/(Nm3·h)左右；全液體空分裝置的產品綜合能耗1.15 kW/(Nm3·h)左右；其中理論上液氧單位能耗1.04 kW/(Nm3·h)；液氮單位能耗0.814 kW/(Nm3·h)；液氬單位能耗1.68 kW/(Nm3·h)；當然上述只是理論數據，在實際應用當中的空分流程產品規格復雜，產品量及壓力均不是單一或者一致，裝置規模也大小不同，導致影響流程能耗的壓縮機，例如流量及壓力，膨脹機的效率，例如有進口、國產差別，能耗可能會有不小差別。

與氣體產品相比，液體產品能耗較高，也在制約其發展，但是液體產品具有良好的品質與簡單方便地使用性能。

10 結束語

隨著我國工業和科技的發展，各種氧氮氬產品的應用越來越廣泛，涉及的行業也越來越多，其在國民生產中的重要性不言而喻。盡管大中型液空分裝置目前國內生產不多，不像氣體裝置那樣越做越大，套數也越來越多，但是其對于分散經營，集中園區式供氣有獨特的優勢，具有良好的發展前景。隨著世界科技的不斷發展，當前深冷分離空氣的技術已經多樣化，產品也多樣化，一般用戶均選擇在大型空分設備中副產液體產品，對于部分產品有放散的單位，則是通過液化外銷來提高其經濟性。相信隨著深冷技術的不斷進步，氣體工業的持續發展，液體裝置在國民生產之中會發揮更大的作用。