內壓縮流程空分的換熱與精餾研究

蔣 旭，厲彥忠

（1. 中空能源設備有限公司，浙江 杭州 310051； 2. 西安交通大學，陜西 西安 710049）

內壓縮流程空分的換熱與精餾研究

蔣 旭1，厲彥忠2

（1. 中空能源設備有限公司，浙江 杭州 310051； 2. 西安交通大學，陜西 西安 710049）

分析和討論了內壓縮空分設備的氧氮兩組分、氧氮氬三組分及氧氬兩組分和氮氬兩組分的相平衡，精餾部分的上塔、下塔、粗氬塔、精氬塔的精餾以及高壓主換熱器、低壓主換熱器、過冷器及主冷凝蒸發器等換熱設備。希望能促進空氣分離設備在理論方面的發展。

空分設備；相平衡；相平衡；換熱

內壓縮流程經過不斷完善和發展，其所涉及到的相平衡、精餾及換熱方面都要比傳統外壓縮要復雜的多，空分設備冷箱內的換熱與精餾都相互作用又影響，由于內壓縮的產品是在冷箱內通過液體泵壓縮后經過高壓換熱器復熱出冷箱的，其工作壓力往往都超出氧氮的臨界點，液體在超臨界狀態下進行換熱也是內壓縮的一大特點。【1】而在精餾方面，由于產品種類及獲取方式的不同，導致塔設備的物料進出口與外壓縮相比有很大的變化；換熱的情況相比精餾更要復雜，如今應用到空分低溫換熱的一般首選板翅式換熱器，其可以滿足多股流、相變與無相變及超臨界狀態下的換熱形式，這些對于外壓縮都是未出現過的換熱方式，所以對內壓縮流程的換熱方式的研究對進一步加深對其的理解有重大意義。

1 內壓縮空分流程工藝

工藝簡述：空氣首先進入自潔式空氣吸入過濾器，在空氣吸入過濾器中除去灰塵和其它顆粒雜質，然后進入主空壓機，經過多級壓縮后進入空冷塔，壓縮機級間的熱量被中間冷卻器中的冷卻水帶走。增壓機則對部分凈化后的空氣或者氮氣進一步增壓，增壓后的介質去膨脹機系統，或被冷卻為高壓液體為精餾系統提供冷量。

空氣在進入分子篩吸附器前在空冷塔中冷卻，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。進入空冷塔上部的冷凍水，冷水機組進行冷卻后，然后再進入空冷塔上部。

分子篩純化系統由兩臺分子篩吸附器、蒸汽加熱器組成，并提供一臺蒸汽加熱器作為蒸汽加熱器的備用裝置。分子篩吸附器吸附空氣中的水份、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。再生氣的加熱由蒸汽在蒸汽加熱器中完成。

出吸附器的空氣分為兩部分：一部分直接進入主換熱器冷卻后進入下塔；另一部分通過空氣增壓機進一步壓縮，中抽出一股經過膨脹機增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻，再進入主換熱器被冷卻，經膨脹機膨脹后進入下塔，從空氣增壓機末級排出的空氣經增壓機后冷卻器冷卻后送入冷箱經主換熱器冷卻變為液體后節流進入下塔。

經過下塔、上塔、粗氬塔與精氬塔精餾后得到所需產品復熱后送出冷箱。

2 多組分相平衡

深冷法分離空氣即在低溫狀態下利用各組分沸點的不同而進行分離的過程。相平衡存在于兩組分以及多組分的精餾分離當中，兩組分以及多組分之間的相平衡是空分精餾的基礎【2】。

2.1 不同壓力下氧氮兩組分相平衡圖

由圖1可以看出壓力越高，精餾溫差越小，精餾效果會越差；壓力越低，精餾溫差越大，精餾效果會越好。

圖 1 不同壓力下氧氮兩組分相平衡圖Fig.1 The oxygen and nitrogen under different pressure two components phase equilibrium diagram

圖 2 氧氮氬三組分相平衡圖Fig.2 Oxygen and nitrogen argon three components phase equilibrium diagram

下塔也叫壓力塔，一般壓力塔的精餾選擇篩板塔，填料塔在壓力高時精餾效率并沒有優勢，篩板塔具有高度較低，精餾效率較為穩定的特點，因此應用較多。但是填料塔由于類型不斷地改進，同時變負荷范圍較寬，與篩板塔相比塔徑小而在大型空分上應用較多。

由圖 1可以看出氧組分與氮組分在低壓下精餾溫差大，因而精餾效果好。

上塔也叫低壓塔，多采用填料塔，因為填料塔在低壓下的精餾效果要優于篩板塔，而且上塔的進出料較多，要求變負荷范圍大，并且填料塔阻力只有篩板塔的 1/3，具有極大的優勢。

2.2 氧氮氬三組分相平衡圖

首先，“概念”要求我們采用自上而下的視角，從概念意義出發來看體現形式。六種及物性過程，序列、圖形和成分三個級階，實體、過程、性質等性狀，從不同的角度對經驗進行識解和描述，我們認為這些都可納入概念意義的范疇。正是基于某個概念意義，我們思考用什么樣的詞匯語法形式來體現。需注意的是，同一情景或經驗是概念之源，一致式和隱喻式體現的是同一基底概念，如3.3節所述，各自的意義雖相似，卻存在不容忽視的差異，因此，我們應該把Halliday說的“相同的所指”改為“相似的所指”。

由圖2可以看出氬組分的精餾溫度在氮組分與氧組分之間，并且接近氧組分，所以一般只要氮產品或者只要氧氮產品的空分設備，把氬組分劃歸氧組分當中，氬組分對氧組分精餾的影響隨著氧純度的提高而愈加明顯。

3 低溫精餾

精餾對于空分設備來說是借助于篩板或者規整填料等載體進行的低溫工況下的各組分的傳質傳熱，從而獲取產品的過程【3】。

精餾塔的液相負荷：對于不同組分而言，氬組分質量較重，氮組分較輕，氧組分居中（精餾各組分的液體密度為氧：1 140 kg/m3；氮：810 kg/m3；氬：1 410 kg/m3），所以由于其組分比例得不同，對液相負荷的重度影響也不同。

對于塔板氣液負荷值來說：對于氣相而言上升氣先低后高，原因是氧組分的汽化潛熱較大，液化能力較氮組分強，因而氣相先低后高，也即精餾塔從底部到頂部，氧組分濃度漸小，這也是上述狀況出現的原因。（各組分的汽化熱：氧：213.65 kJ/kg；氮：199.25 kJ/kg；氬：164.09 kJ/kg）

對于下流的液相而言，氬組分的液體密度最大，氧組分次之，氮組分最小；所以氬組分濃度大的塔板液體質量負荷較大；而對于氬組分濃度較小的塔板，質量負荷較小。

圖 3 下塔沿塔板上的液氣負荷值Fig.3 Liquid and gas load values along the plate in lower tower

第1塊抽液氮；第2塊塔板抽出少量壓力氮氣；第 18 塊抽污液氮；第 36 塊抽出貧液空；42 塊抽富氧液空；空氣由42塊進；氬組分較集中在貧液空出口處；氣相由于氧的汽化潛熱較氮氣的汽化潛熱大，所以上升氣質量負荷逐漸增大【4】。

3.2 上塔氧氮氬三組分沿塔板濃度分布截面圖(圖 4)

圖 4 上塔氧氮氬三組分沿塔板濃度分布截面圖Fig.4 Concentration distribution diagram of oxygen ,nitrogen and argon three components along the plate in upper tower

3.3 上塔沿塔板分布的液氣負荷值(圖 5)

圖 5 上塔沿塔板分布的液氣負荷值Fig.5 Liquid and gas load values along the plate in upper tower

頂部第1塊抽氮氣；第8塊進污液氮，抽污氮氣；第 18 塊貧液空進；第 24 塊液空進；第 30 塊液空蒸汽進；第47塊氬餾分抽出，液氬餾分回流，底部第81塊抽液氧。

4 低溫換熱

圖 6 主冷凝蒸發器換熱圖Fig.6 Main condenser evaporator heat exchange maps

液氧內壓縮高壓主換熱器屬于超臨界狀態換熱，液氧內壓縮低壓主換熱器屬于氣-氣換熱，一般無相變或者微量帶液體，過冷器沿長度屬于液-氣換熱，無相變。主冷凝蒸發器的換熱最復雜，相變及無相變的各種換熱類型都存在(圖 6)。

下 塔 頂 部 壓 力 5.78 bar,飽 和 態 氮 氣 （ 組 分N2:0.999997;AR:0.0000003）,飽和溫度 95.865 K。

上塔底部壓力 1.4bar時，板式頂部液氧（組分O2,0.996,Ar:0.004），飽和溫度 93.27 K,由于有 2.2 m的液柱靜壓，板式底部壓力 1.65 bar（此壓力下液氧飽和溫度 95.07 K），液氧處于過冷態，過冷度 1.8K，在板式中間隨著液氧的壓力降低（液柱靜壓從底部到頂部，先為全液體，出現氣泡后，逐漸增多，成為氣液混合物，氣體逐漸增多，到板式頂部大約有31%的液體汽化，液氧循環倍率為 3.225，（一般液氧循環倍率取 3～5 即可））;對數溫差 1.02 K，熱端溫差 1.838 K,冷端溫差 2.18 K.最小溫差 0.5 K;（一般主冷凝蒸發器的對數溫差只需大于 0.8 K 即可滿足）。

液氧的換熱為先為過冷態換熱，然后隨著壓力降低，溫差擴大，進行變相換熱，隨著壓力的降低，飽和點也隨著降低，溫差逐漸擴大，出口地方溫差擴大到 1.86 K,(95.86～94.0 K)，但是由于液相有向上的壓力頭，致使上段液相不能完全接觸到板式壁面，能接觸到的液體汽化后，在壁面形成邊界層，與板式壁面換熱溫差漸漸縮小，換熱微弱，同時氣-氣無相變換熱效果差，所以在板式上段出口地方換熱又轉弱。

所以主冷板式適當有個傾角實際上對換熱是有利的（可讓主冷板式上部實現部分氣液分離，這樣液相與板式接觸更充分些），但是液氧循環倍率會減小，這是不利的地方。另外降膜主冷的板式也可傾斜，這樣更有利于增強換熱減小換熱面積與控制循環倍率。

5 結束語

隨著我國冶金及化工行業的發展，內壓縮流程空分設備的應用也變得更加廣泛，其流程形式具有多樣化的特點，產品獲取方式可以有多種，使得精餾與換熱要比傳統外壓縮要復雜許多，對于設計及運行操作等方面的理解與應用出現了新的難題，這也是氣體分離行業發展的一個瓶頸。【5】內壓縮空分流程作為新一代流程，應用 40 余年來，經過不斷地創新和發展，已經臻于成熟。

換熱與精餾是空分設備的兩大主題，空分設備低溫下的換熱型式，低溫下的精餾載體，其相互影響又相互作用，而內壓縮空分流程的自身包容性也使得這些相互影響，相互作用的因素又完美的結合在了一起，使得空分流程不斷推陳出新，向前發展，或許這正是內壓縮空分流程的生命力之所在。

［1］蔣旭．帶液體空分設備的流程選擇[J].氣體分離，2013（4）：17-27.

［2］張祉祐.低溫技術原理與裝置[M]. 西安:西安交通大學出版社,1996.

［3］黃建斌.工業氣體手冊[M].北京:化學工業出版社,2003.

［4］蔣旭，王忠建，劉景武.制氬系統原理與操作淺析[J].氣體分離，2013（2）：21-28.

［5］蔣旭，丁友勝，厲彥忠，趙小瑩．鋼廠應用空分裝置的配套[J].通用機械，2013（11）：40-43.

Research on Distillation and Heat Exchange of the Internal Compression Air Separation Plant

JIANG Xu1， LI Yan-zhong2
（1. Zoko Energy Equipment Co.,Ltd.,Zhejiang Hangzhou 310051, China；2. Xi’an Jiaotong University, Shaanxi Xi’an 710049, China）

The phase equilibriums between oxygen & nitrogen, between oxygen, nitrogen & argon, between oxygen & argon and between nitrogen & argon of internal compression air separation plant were analyzed and discussed, the distillation of upper column, lower column, crude argon column and pure argon column was introduced as well as heat exchanging equipments including high pressure main heat exchanger, low pressure heat exchanger, sub-cooler and main condenser evaporator.

Air separation plant; Phase equilibrium; Distillation; Heat exchange

TQ 050

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1224-03

2014-01-23

蔣旭（1983-），男，浙江杭州人，工程師，2009 年畢業于西安交通大學化工機械專業，研究方向：從事空分設備設計工作。E-mail：jiangxukk@163.com。