空分裝置氮自增壓流程淺析

摘? 要：深冷空氣分離裝置使用氮自增壓流程可滿足一定范圍內高于下塔壓力的氮氣產品需要，此流程利用了液化下塔氮氣后通過液柱高度增壓的方法。對具體參數的分析及模擬計算確定該流程自增壓氮氣的壓力和流量使用范圍。

關鍵詞：空氣分離;氮氣;氮自增壓;氮液化器;換熱溫差

中圖分類號：TQ116? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0引言

近年來，隨著工業氣體領域的飛速發展，各類工業氣體的應用不斷朝著精細、高效、節能和環保的方向進步。氮氣，作為工業氣體中重要的一類，有著極其廣泛的應用。它不僅是氨、硝酸、化肥等化工產品的生產原料，而且還是很好的惰性保護介質，同時，可作為高效安全的制冷劑、冷卻劑在速凍食品、低溫粉碎等場所制備低溫環境，高純氮氣可用在電子工業中的外延、擴散、化學氣相淀積、離子注入、等離子干刻、光刻等方面，工業分析中還用作標準氣、校正氣、零點氣等。氮氣的純度、壓力、溫度在不同的使用場合有不盡相同的規格需求，往往，同一套制氣裝置需要提供多種不同規格的氮氣產品，如何能以最優方案來保證穩定、低耗的生產不僅是氣體生產企業，也是氣體裝置設計、制作單位一直在努力的方向，深冷空氣分離裝置（后簡稱空分裝置）作為使用最為常用的氧、氮、氬等工業氣體的制氣裝置更是如此。本文針對一種壓力規格的氮氣產品需求提供一種空分裝置的工藝流程組織方法，根據具體的設計思路，以專業計算軟件模擬論證、分析，對這種組織方法的各方面優缺點進行比較和討論。以期為該類壓力規格氮氣的空分裝置工藝流程設計提供參考。

1概述

常規空分裝置中，由冷箱內生產出來的氮氣產品的壓力規格主要有兩種：一種是由上塔頂部抽出，復熱后出冷箱的10KPa左右的氮氣產品;另一種是由下塔頂部抽出，復熱后出冷箱的400KPa左右的氮氣產品。（具體對于不同大氣環境壓力以及主冷凝蒸發器的設計溫差不同等因素，這兩種出冷箱氮氣壓力略有不同，其空分原理篇幅原因，這里不做贅述）。這兩種規格氮氣壓力是由分餾塔自身所需工作壓力來確定的，不需要額外的增壓設備做功，而如果需要更高壓力的氮氣產品，則需要配置氮氣壓縮機增壓或是配置液氮泵對液氮加壓后再汽化、復熱。本文所討論的是不同于以上兩種方法的提高氮氣產品壓力的流程組織方法——氮自增壓流程。同氧自增壓流程一樣，氮自增壓流程原理也是利用低溫液體在冷箱中具有一定的高度上的設備或管道內產生的靜液柱壓差從而提高汽化器液面側壓力的一種增壓方法。

常規空分流程中，較高壓力的氮氣或者液氮是在下塔頂部產生的，受到下塔高度的限制，這個部位在冷箱中相對位置較低，與汽化、復熱設備主換熱器的高差非常有限，因此無法利用此位置的液位高差提升較高的壓力。如果需要得到更高位置上的液氮，可以通過將下塔具有一定壓力的氮氣抽至所需高度后液化來實現，液化所需要的冷量可以利用下塔具有一定壓力的液氮或液空節流爬升至此高度后的低壓液體來提供，再利用液氮的液柱高度產生的壓差，最終得到提高壓力的液氮或在此壓力下汽化復熱的氮氣產品，這也正是氮自增壓流程的主要設計思路。

2流程特點

從氮自增壓流程的設計思路來看，這種流程同氮氣壓縮機加壓或液氮泵加壓汽化的流程相比較，減少了氮氣壓縮機或液氮泵，增加了氮液化換熱器，這樣的改變優勢非常明顯。首先，無論是壓縮機還是液氮泵，都是動設備，設備自身需要驅動系統、油潤滑系統、水冷卻系統、密封氣系統等，使用和維護都很復雜;其次，動設備是需要定期進行檢修維護的，連續運轉時間超過規定很容易造成磨損發生事故;而且比起同樣規模的換熱器，這樣的動設備的成本也要高很多。這樣看來，氮自增壓流程不用壓縮機或液氮泵這樣的動設備，而只使用一臺氮液化換熱器這樣的靜設備，穩定性、連續性、經濟性都有優勢。

從能耗上來看，由于氮自增壓流程和液氮泵加壓流程都抽取了一些下塔氮，從而減少了上塔的回流液，對上塔的氧提取率會有一些影響，但是在下塔總抽氮量滿足上塔正常精餾工況條件下，這一影響產生的氣量功耗遠遠小于氮氣壓縮機的輸入功，對于下塔抽氮量對精餾的影響這里不再詳細做介紹。

從產品規格的適用性開看，通過氮自增壓流程生產的氮氣受自身設計原理的限制，產品壓力和流量都有一定的適用范圍，下面就這兩個方面進行詳細分析：

（1） 適用壓力。從此種流程的特點上來看，決定自增壓產品氮最大所能達到的壓力主要有兩個因素：一是下塔氮氣的壓力，在常規流程里面，這個值可以根據設計條件參數來確定;二是作為冷源的下塔液體所能爬升到冷箱內的高度。

這里我們以一套標準大氣壓下規模為20000Nm？/h氧氣的常規空分的設備性能參數作為輸入條件進行具體分析，空分的產品性能見表1，冷箱系統流程簡圖見圖1。表1中氮氣Ⅱ為通過自增壓方法提高壓力后的產品。

用軟件模擬下塔液氮的爬升過程，模型見圖2所示，該管線的水力學計算過程匯總如下：

1）下塔液氮出口壓力為下塔頂部壓力，此套裝置正常為450KPa，考慮純化系統切換波動以及低負荷運行的壓降一般不大于20KPa，這里取430KPa，高度15.6m（距離冷箱基礎平面）。

2）管程1管道規格為Φ210×5鋁管，長度為20m，高差為-11.2m（負值為向下），壓降為-78KPa（負值為增大）。

3）過冷器阻力為10KPa，出口溫度為79K（正常為82K，由于考慮到如果遇到停車下塔失壓情況，溫度更低，重新加壓后過冷度更大，爬升高度更低，因此以此極限狀況計算）。

4）調節閥壓差50KPa。

5）管程2管道規格為Φ46×3鋁管，根據前后壓差模擬計算長度為80m，高差為52m，壓降為423KPa。

6）氮液化器入口壓力為35KPa（滿足汽化后排放），根據前面的結果計算高度為56m。

從模擬結果來看，液氮最大可提升高度為56m，主換熱器熱端面（頂部）高度為8m，自增壓液氮液柱高差可到48m，通過模擬計算，自增壓氮氣產品出冷箱壓力為710KPa。

同樣過程我們模擬下塔液空作為冷源，通過計算，液空最大提升高度以及自增壓氮氣產品壓力均低于液氮作冷源的計算結果，由于與液氮作冷源計算類似，過程這里不再描述。

（2）適應產量。通過液氮自增壓的方式來生產氮氣，所需要的汽化方式也與氧自增壓有所不同，氧自增壓后，由于液氧中含有微量碳氫化合物的原因，為防止碳氫化合物在汽化過程中聚集而發生危險，液氧自增壓需要單獨設置全浸式換熱器作為汽化設備，然而氮自增壓的汽化設備則可以直接利用空分設備固有的主換熱器中的換熱通道來進行汽化以及復熱。

目前，常規大、中型空分設備中主換熱器所采用的是板翅式換熱器，根據板翅式換熱器的換熱特點，需要汽化的自增壓液氮的量較大時，汽化所需熱量大部分需要由熱流空氣冷凝所釋放的潛熱來提供，因此自增壓液氮的壓力需要與換熱器中熱流空氣的壓力相匹配，或者說該壓力下液氮的汽化溫度與熱流空氣的泡點溫度滿足板翅式換熱器局部最小溫差（根據目前國內的設計制造水平，這個溫度設計上一般不小于1.2℃），如果熱流空氣壓力不夠，液氮汽化所吸收的熱量大部分會是熱流空氣的顯熱，這樣會導致換熱器溫差變大，冷損嚴重，從而給裝置帶來冷量不足，精餾效率低等一系列問題。常規空分進主換熱器空氣壓力為470KPa，通過軟件計算，與之匹配的液氮壓力為580KPa。

需要汽化的自增壓液氮量較小時，少量的液氮汽化所需熱量可以利用熱流空氣的顯熱，在與常規相同的積分溫差的板翅式換熱器，可滿足局部最小溫差不小于1.2℃的條件，此時自增壓液氮壓力與空氣壓力無匹配要求。在相同積分溫差與最小問題條件下，所能汽化液氮的量與板翅式換熱器的總換熱負荷有關。這里以氧氣產量分別為10000Nm？/h、20000Nm？/h、30000Nm？/h、40000Nm？/h四套裝置在主換熱器的積分溫差為3.5℃，最小溫差為1.2℃的條件下所能汽化生產壓力為700KPa自增壓氮氣的最大量為例來計算說明，四套裝置產品純度、各產品產量的比例以及所用流程組織與前文10000Nm？/h氧氣的常規空分算例相同。通過軟件模擬計算，結果見表2。

從表2的結果來看，也可說明了空分產品規模越大，主換熱器熱負荷越大，自增壓氮氣汽化能力也越大。

3項目案列

某合成氨、化肥生產單位配套制氧量40000Nm？/h 的空分裝置，需要提供1500 Nm？/h，壓力為700KPa液氮產品，該裝置使用液氮自增壓的流程，通過冷箱頂部設置的換熱器液化下塔來壓力氮氣，液化后的液氮通過液柱高差增壓后送去使用點。該項目各項產品指標驗收合格。需要注意的是，在生產中遇到液氮產品超負荷使用時，液氮產品的壓力有所降低，液氮中的氣化率也有所增加。從這個項目的投運情況說明液氮自增壓的設計思路在實際生產中能夠達到設計的要求，但是從現場反映的問題分析，能判斷得出由于超負荷產生導致氮液化換熱器中氮氣沒有全部冷凝。

4結語

（1）有較高壓力氮產品需求的空分裝置，氮自增壓流程較氮壓機和液氮泵流程，有穩定性、連續性、經濟性以及能耗方面都有優勢。

（2）氮自增壓流程中自增壓氮的有其壓力適用范圍，常規空分裝置最高適用壓力在700KPa左右。

（3）氮自增壓流程中自增壓氮氣高于一定壓力時（常規空分裝置約為580KPa），受主換熱器換熱溫差的限制，適用流量較小，次流量可根據主換熱器滿足局部最小溫差條件下的液氮汽化能力來確定。

（4）氮自增壓流程設計中，包括氮液化器在內的各設備的設計能力需和產品生產需求相匹配才能達到預期效果。

收稿日期：2019-11-01

作者簡介：譚思偉（1970—），男，廣東廉江人，研究生，工程師，研究方向：化工工藝。