超低壓空分設備流程的可行性分析①

蔣 旭，張 淼，白寧莉

(開封空分集團有限公司設計研究院，河南開封公園路28號 475002）

超低壓空分設備流程的可行性分析①

蔣 旭，張 淼，白寧莉

(開封空分集團有限公司設計研究院，河南開封公園路28號 475002）

對空分流程的發展歷史進行了簡述，超低壓空分流程作為新一代空分流程，對其進行了研究和探討。提出了具體流程方案并進行了闡述。

超低壓;空分流程;可行性;分析

深冷分離空氣技術經歷了上百年的發展，如今日臻成熟，空分技術在工業生產的大舞臺上已占據了它不可替代的地位。

目前空氣分離方法主要有三種:膜分離、變壓吸附和深冷分離。其中深冷分離技術占據主要市場，當然其功耗也是超出其它許多。而空分流程的組織與空分設備的能耗直接相關。優化空分流程對于節能而言，意義非常重大。

深冷法空分流程在發展過程中先后經歷了高壓、中壓、全低壓的流程組織后，目前全低壓流程已得到廣泛應用。當前超低壓流程正成為廣大技術人員研究的重大課題，超低壓流程以其低能耗、低投資、安全性能好等特點而倍受人們的青睞，相信日后會得到廣泛應用。

1 超低壓空分流程簡介

用風機代替全低壓空分流程中的空壓機，實現排壓2.4 bar(A）(注:1 bar=0.1 MPa），大大低于原來空壓機約5.4 bar(A）的排壓壓力，將空分冷箱外設備實現超低壓，其壓力頭只需能克服正常運行阻力即可，冷箱內的初級精餾塔 (一般為篩板塔）的工作壓力也實現超低壓，精餾效率大幅提高，同時省去一些設備和管路。

在降低工作壓力的同時，空分設備的運行能耗可實現降低10%左右;同時投資也有所減少。因此，從節能性和減少投資的方面來說，超低壓空分流程代表新一代空分技術，對能源化工領域是一次技術革命和大飛躍。

2 超低壓空分流程的兩種型式

以內壓縮為例，超低壓空分流程一般有以下兩種型式。

2.1 超低壓液體泵加壓流程

流程原理概述:空氣從自潔式過濾器吸入，經風機壓縮，排壓2.4 bar(A）。經空冷塔冷卻，分子篩吸附凈化后，一路作為低壓空氣經主換熱器冷卻后進入下塔;另一部分經增壓機后分為兩股，一股中抽后進入膨脹機的增壓端，增壓后經換熱器冷卻至一定溫度后中抽膨脹，經膨脹機膨脹后進入下塔。另一股由增壓機末級抽出，經主換熱器后節流進入下塔。下塔工作壓力為1.8 bar(A），下塔液空與貧液空由低溫泵加壓送至上塔。氮氣則直接經主換熱器出冷箱，匯入氮氣總管，經氮壓機壓縮至5.4 bar(A），一部分作為氮氣產品，另一部分再經主換熱器進入冷凝蒸發器與液氧換熱，被液氧冷凝后一部分節流后進入下塔，一部分送入上塔，剩余部分作為液體產品送入貯槽。

上塔氮氣出主換熱器后匯入氮氣總管。液氧由液氧泵加壓，液氧經主換熱器氣化后直接送出。液體產品從冷凝蒸發器抽出送入貯槽。

2.2 超低壓液體自增壓流程

流程原理概述:空氣從自潔式過濾器吸入，經風機壓縮，排壓2.4 bar(A）。經空冷塔冷卻，分子篩吸附凈化后，一路作為低壓空氣經主換熱器冷卻后進入下塔;另一部分經增壓機后分為兩股，一股中抽后進入膨脹機的增壓端，增壓后經換熱器冷卻至一定溫度后中抽膨脹，經膨脹機膨脹后進入下塔。另一股由增壓機末級抽出，經主換熱器后節流進入上塔。上塔工作壓力為1.8 bar(A），上塔液空與貧液空由液柱自增壓送至下塔。氮氣則直接經主換熱器出冷箱，匯入氮氣總管，經氮壓機壓縮至5.4 bar(A），一部分作為氮氣產品，另一部分再經主換熱器進入冷凝蒸發器，與液氧換熱，被液氧冷凝后一部分節流后進入上塔，一部分節流后送入下塔，剩余部分作為液體產品送入貯槽。

下塔氮氣出主換熱器后匯入氮氣總管。液氧由液氧泵加壓，液氧經主換熱器氣化后直接送出。液體產品從冷凝蒸發器抽出送入貯槽。

2.3 兩種流程形式的比較

流程型式二是從流程型式一演變而來，顯然流程二更具優勢，其少了兩臺液體泵和過冷器。可靠性更強，操作簡便，投資和運行成本更低。

3 與全低壓流程型式比較

3.1 超低壓自增壓流程同全低壓流程比較

3.1.1 優勢

1.塔的穩定性大大提高。超低壓液體自增壓流程較全低壓流程更穩定。填料次級精餾塔與篩板初級精餾塔相比，重量要輕許多，主冷的重量也較篩板塔更重一些。質量較大的設備處于底下，質量較輕的處于上面，塔的穩定性大大提高?？山档腿蛪毫鞒讨泻Y板塔的壁厚。顯然初級精餾塔，次級精餾塔和冷凝蒸發器的這種位置排布更為合理。

2.降低初級精餾塔的工作壓力。初級精餾塔的工作壓力在1.8 bar(A）時最大精餾溫差為4.3 K，工作壓力在5.4 bar(A）時最大精餾溫差為3 K，這樣氧氣和氮氣的精餾溫差擴大43%，精餾效率提高20%以上，上塔、下塔的高度降低20%左右。同時可通過增大循環氮氣量來增大回流比，也可以大幅提高精餾效率。

3.空冷塔、水冷塔、分子篩吸附器及精餾塔的工作壓力降低至接近于常壓，危險性降低，塔的壁厚減少，只需能達到其剛度所需壁厚即可，但是直徑增大，這是劣勢。

4.塔體高度降低，冷箱內配管少，且更簡單;由于少了過冷器，同時由于初級精餾塔、次級精餾塔和冷凝蒸發器的合理位置排布，配置氬塔時由于主塔高度降低，氬塔的高度也隨著降低，使得冷箱內配管量和長度大大減少，同時冷箱內的問題處理會更方便。

5.出冷凝蒸發器液氮節流壓差減小，合理利用了液體壓力頭，減少了節流氣化。同時出主換熱器的高壓液空的壓力頭也得到有效利用，減少了節流氣化。

3.1.2 劣勢

操作相對復雜。多了循環氮壓機的操作和維護，使得空分設備的操作相對復雜。與傳統的全低壓內壓縮流程相比，在操作上安全性相對不夠好，其在操作上與氮循環流程類似。

3.2 流程計算及投資運行

3.2.1 運行能耗

以25 000 Nm3/h的空分為例，詳見表1。

表1 超低壓與全低壓流程運行能耗比較Table 1 Running power consumption comparison between super low pressure process and full low pressure process

3.2.2 設備投資

以25 000 m3/h的空分為例，詳見表2。

3.3 難題解決

鑒于低壓下空氣含水量會大增，分子篩再生與分子篩床層會大增，措施是增大冷水機組的制冷量，降低出空冷塔的空氣出口溫度至10℃或更低，可使其含水量減少。同時增加分子篩吸附器的鋁膠量 (兩倍），適當增大吸附器的直徑，可使其含水量及二氧化碳量合格。

由于主塔工作壓力低，所以空冷塔、分子篩純化器、下塔的直徑會增大，所以超低壓流程目前只適合應用于三萬等級以下的空分設備。

表2 超低壓與全低壓流程設備投資比較Table 2 Investment cost comparison between super-low pressure process and full-low pressure process

4 流程優化

本流程可與氮循環流程有機結合，針對用戶用氮產品種類多，既可減少動設備的投資，同時又可有效減少運行能耗。

5 展 望

作為新一代空分技術，超低壓空分流程以其不可比擬的優越性定會被廣大技術人員所認同，深冷分離空氣行業也將迎來一場新變革。

超低壓液體自增壓流程與超低壓液體泵加壓流程相比，顯然超低壓液體自增壓流程更為合理，其節能性、可行性更好。

隨著國民經濟和科學技術的大力發展，我國能源化工領域對空分設備的需求量日益增加，大空分項目越來越多，卻因電力緊缺，能耗多而受限。我國在十二五規劃中提倡節能減排，降低能耗。超低壓空分流程順應這一趨勢，可大幅降低空分設備的投資和能耗，相信在能源化工領域將會有更大的發揮空間和更多的推廣應用。

Analyzed on The Feasibility of The Super Low Pressure Air Separation Process

JIANG Xu ，ZHANG Miao，BAINingli
(Institute of Research and Development，Kaifeng Air Separation Group Co.，Kaifeng 475002，China）

The history that the developmentof air separation process is briefly introduced.The investigation and discussion in the super low pressure air separation process are carried on，which is called the new technology of air separation process. We briefly introduce and advance the idiographic project.

super low pressure;air separation process;feasibility;analysis

TQ116.11

B

1007-7804(2012）04-0028-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.006

2012-02-08

蔣 旭，男，助理工程師，畢業于西安交通大學過程裝備與控制工程專業，現任職于開封空分集團有限公司設計研究院流程設備室。