幾種常見液化裝置流程比較

潘明　繆樟臻

[摘要]本文介紹了國內幾種常見液化裝置流程并對這幾種不同的流程特點進行了比較。中國空分設備有限公司

[關鍵詞]液化裝置 流程 低壓 中壓 比較

[中圖分類號]G633.8 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0183-02

1 前言

由于液化產品體積小，便于貯存，且運輸過程中不會有雜質進入而影響產品質量。對于目前已有大型空分設備的廠家則投資一套適當規模的液化設備，將平時多余放散的氧氣、氮氣液化成為液氧、液氮供給周圍的用戶，搶占周圍的氣體市場，能取得良好的經濟效益。對于用戶來講如何根據用戶的實際情況來選擇液化裝置的規模、流程形式、配套機組的水平。本文以下的內容就是通過不同的流程介紹，并進行了簡單比較。

1.1 流程簡介

液化設備一般都是空分設備的附屬設備，應盡可能多的利用空分設備的產品和設備。現在的液化設備流程分類的依據主要還是考慮原料氣的壓力等級以及所需液化的液氧，液氮產品的產量。根據壓力等級將液化設備分為中壓、低壓兩種主要流程。

2 低壓液化循環流程簡介

2.1 典型的不帶冷凍機的低壓液化流程見圖1。

來自空分設備或低壓管網上的氮氣與來自液化裝置主換熱器的返流氮氣匯合后經循環壓縮機壓縮或從用戶現有壓力氮氣管網的氮氣經增壓透平膨脹機的增壓機增壓后進入主換熱器E1，分為兩股，其中一股在主換熱器中被返流的冷流體冷卻成液氮，液氮經節流作為液氮產品出冷箱。另外一股氮氣從主換熱器中部抽出進膨脹棚彭脹，膨脹端出來的低壓氮氣作為反流冷源回主換熱器冷端，被復熱到常溫后去低壓氮氣管網。

當生產液氧時，增壓透平膨脹機增壓端增壓后的循環氮氣從主換熱器中部抽出進膨脹機膨脹，此股冷流體全部作為冷源進E1復熱出冷箱。來自管網的氧氣在E1中冷卻并液化后送出冷箱。

2.2 典型的帶冷凍機的低壓液化流程見圖2。

來自空分設備或低壓管網上的氮氣與來自液化裝置主換熱器的返流氮氣匯合后經循環壓縮機壓縮或從用戶現有壓力氮氣管網的氮氣經增壓透平膨脹機的增壓機增壓后進入主換熱器E1。這股正流氮氣在適當的溫度下從E1中抽出進入低溫冷凍機的蒸發器，在其中被冷卻后又返回E1，并繼續被返流的低壓氮氣冷卻到較低的溫度后，然后大部分氮氣去透平膨脹機進行膨脹制冷，而另一小部分氣體繼續在E1中被冷卻液化，在E2中使之過冷后送出冷箱。膨脹機出來的低壓氮氣作為反流冷源進人E2的冷端，復熱至常溫后作為循環氣進人循環氮壓機。

當生產液氧時來自用戶管網的氧氣在主換熱器E1，E2中被返流的低壓氮氣冷卻液化過冷后送出冷箱。

2.3 串聯膨脹機中壓液化流程見圖3。

來自空分設備或低壓管網上的氮氣經循環壓縮機壓縮至～2.5Mpa（G）后先進入冷端透平膨脹機的增壓端，增壓并冷卻后，再進入熱端透平膨脹機的增壓端，增壓并冷卻后進人E1后分成兩股，其中一股在冷卻到一定溫度后，抽出進入熱端膨脹機，膨脹制冷后，返回El繼續降溫后，再進入冷端膨脹機繼續膨脹制冷，然后返回到E1冷端作為反流冷源復熱后返回低壓氮氣管網或者循環氮壓機人口。另外一股氮氣繼續冷卻液化，在E3中過冷后節流作為產品液氮送出冷箱。

當生產液氧時，來自用戶的中壓氧氣進入E2，被返流液氮冷卻直至液化，節流后出冷箱作為產品輸出。

2.4 并聯膨脹機中壓液化流程見圖4。

來自空分設備或低壓管網上的氮氣經循環壓縮機壓縮至0.5MPa（A），與循環氮氣匯合，組合式循被環氮壓機壓縮至2.5MPa（G）后分成兩股：一股依次經高溫膨脹機增壓輪增壓并冷卻后再進入低溫膨脹機增壓輪增壓冷卻后進入E1，在E1中被返流的冷流體冷卻至一定溫度，其中大部分氮氣抽出進低溫膨脹機膨脹，膨脹后返回到E1冷端，作為冷卻介質，復熱后進入組合式循環壓縮機中部，小部分氮氣在E1中繼續被冷卻液化，出E1后被節流進入過冷器過冷，過冷后的液氮大部分作為液氮產品（氧工況時作為返流冷源）送出冷箱，少量過冷液氮節流后作為E3的冷源，依次經E3、E1，被復熱到常溫后，去低壓管網或氮壓機入口；出循環氮壓機的另一股氮氣壓力2.5MPa（G）在主換熱器中冷卻到一定溫度后從主換熱器中上部抽出，進入高溫膨脹機膨脹，膨脹后的壓力為～0.4MPa（G），作為高溫冷源進入主換熱器，復熱至常溫后去組合式循環氮壓機中部入口。

當生產液氧時，來自管網的氧氣經E2冷卻并液化后送出冷箱，E2的冷源為來自產品液氮，產品液氮大部分在E2中復熱至常溫；小部分在E2中復熱到一定溫度后與E3的低壓返流氮氣匯合，在E1中復熱至常溫后去低壓管網或循環氮壓機入口。

3 幾種流程比較分析

（1）在低壓液化循環的流程中，氧氣和氮氣的液化是通過相變過程實現的，隨著被液化的氣體壓力的提高，其液化溫度也隨之提高，而液化段所需的冷量則逐漸減少。從而減少返流氣量，這樣就減少廠循環氮氣量。

（2）在液化循環流程中，采用低溫冰機作為補充換熱器中熱段的冷量手段，這樣可以縮小換熱器熱段溫差減少返流氣量，而減少循環氮氣量。如果在液化流程中不采用低溫冰機，則換熱器熱端溫差較大，造成的不可逆損失較大。低溫冰機的設置與否對液化循環性能有較大的影響。在液化循環流程中，所需的冷量應盡量在較高的溫度下制取，高溫下的冷損，用高溫下的冷量加以補償，這樣就比較經濟。

（3）在中壓液化循環流程中由于被液化的氮氣是在超臨界的狀態下液化的，因而在其液化過程中不存在恒溫的冷凝過程，這樣就能使換熱器的低溫段溫差分布更合理，也就充分利用廠冷端膨脹機的冷量。這樣就能減少循環氣量，即降低能耗。

（4）在中壓液化循環流程中可以提高冷端膨脹機的進口溫度，增加單位焓降，另外由于中壓流程膨脹機的膨脹比與低壓流程相比較小，所以其效率可以提高。這兩點均可以使循環氣量減少，從而降低能耗。

（5）與低壓液化循環不同，中壓液化循環生產液氧時利用液氮來液化氧氣。這樣氧氣即使是低壓的也能液化。

4 結論和建議

一套液化設備性能的好壞取決于很多方面，如流程的確定是否合理、關鍵參數的選擇、能耗指標、配套機組的水平、設備占地面積、投資額及維護是否方便等。因此，液化裝置的選擇應結合用戶實際情況來確定。

在循環氮壓機功率一定的前提下，提高其排壓和增加其排量是此消彼長的。

中壓循環液化裝置的工作壓力通常在4.0～5.0MPa之間，因而對配套部機的要求比較高，對自動控制，調節保護等要求也較高。

中壓循環的主要特點在于氮氣是在超臨界壓力下液化的，這是其節能的重要因素。