大型全液氮裝置流程的選擇

羅明輝，周 濤，歐陽宇龍，徐丹丹

（杭州杭氧低溫液化設備有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

隨著各行各業的迅速發展，對氮氣的需求也有較大的增長，特別是液態氮氣具有便于儲存、運輸方便等優點，越來越多的用戶選擇液體設備。全液體空分主要采用深冷精餾工藝分離空氣中的氧、氮等產品。

對于只需要生產液氮的大型全液體空分，從精餾的角度可采用單塔、常規氧氮雙塔及雙塔雙冷凝流程等3種流程。

本文以表1中參數作為設備性能指標，對3種流程進行比較，探討各自優缺點，為流程選擇提供依據。

表1 液氮裝置產品規格

1 單塔、常規氧氮雙塔及雙塔雙冷凝流程介紹

1.1 單塔流程組織方案

單塔流程簡圖如圖1所示。

凈化后的壓縮空氣進入主換熱器換熱后進入純氮塔，初步精餾后，在純氮塔底部獲得液空，在塔頂部獲得純氮氣。純氮氣經主換熱器復熱后進入循環氮壓機，繼續壓縮至2.7 MPa后，分成兩股，一股氮氣直接進入主換熱器，在其中被冷卻至一定溫度后從換熱器中部抽出，進入高溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體返流入主換熱器，在其中復熱至常溫后進入循環氮壓機進口，形成一個循環；另外一股氮氣先后在高溫、低溫膨脹機的增壓端增壓冷卻后進入主換熱器E1，在其中被冷卻至一定溫度后再分成兩股，其中的一大股抽出換熱器進入低溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體回流入主換熱器，復熱后回流入循環氮壓機進口。抽出一股高壓的氮氣節流后進入下塔作為回流液，從下塔頂部抽出10000 Nm3/h作為產品輸出送入貯槽。

純氮塔抽取的液空，進入液空過冷器E2過冷后送入冷凝蒸發器，蒸發后經過冷器、主換熱器復熱后出冷箱。

1.2 常規氧氮雙塔流程組織方案

常規雙塔流程簡圖如圖2所示。

凈化后的加工空氣進入中壓換熱器，在其中被冷卻至飽和后進入下塔參與精餾。

空氣經下塔初步精餾后，在下塔獲得液空和純液氮。從下塔抽取液空、純液氮，經液空液氮過冷器過冷后液空節流進入上塔，液氮部分作為產品，其余節流進入上塔。經上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得氧氣，復熱后出冷箱。

上塔頂部抽取的純氮氣經過冷器、主換熱器復熱后經氮氣輸送機增壓后，與從低溫膨脹機返流的膨脹氮氣及從高溫膨脹機返流的循環氮氣混合進入中壓循環氮壓機，被繼續壓縮，冷卻后分成兩股，一股直接進入中壓換熱器，在其中冷卻后抽出進入高溫膨脹機，膨脹制冷后經中壓換熱器復熱后回到循環氮壓機進口，另外一股中壓氮氣先后經高溫膨脹機、低溫膨脹機的增壓端增壓后進入主換熱器，在其中被冷卻后，大部分抽出進入低溫膨脹機膨脹，復熱后回到循環氮壓機進口，其余的氮氣被繼續冷卻液化，出換熱器后節流，得到的液體回流到下塔頂部參與精餾。

從上塔的中上部獲得污氮氣，經過冷器、主換熱器復熱后出冷箱，進入電加熱器作為分子篩的再生氣體。

圖1 單塔流程簡圖

圖2 常規氧氮雙塔流程簡圖

1.3 雙塔雙冷凝蒸發器流程組織方案

雙塔雙冷凝蒸發器流程簡圖如圖3所示。

凈化后的壓縮空氣進入主換熱器換熱后進入純氮下塔，初步精餾后，在下塔底部獲得液空，頂部獲得純氮氣和液氮。

純氮氣經主換熱器復熱后進入循環氮壓機，繼續壓縮至2.7 MPa后，分成兩股，一股氮氣直接進入主換熱器，在其中被冷卻至一定溫度后從換熱器中部抽出，進入高溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體返流入主換熱器，在其中復熱至常溫后進入循環氮壓機進口，形成一個循環；另外一股氮氣先后在高溫、低溫膨脹機的增壓端增壓冷卻后進入主換熱器E1，在其中被冷卻至一定溫度后再分成兩股，其中的一大股抽出換熱器進入低溫膨脹機膨脹制冷，膨脹后氣體回流入主換熱器，復熱后回流入循環氮壓機進口。抽出一股高壓的氮氣節流后送入下塔做回流液。

液空經過冷器過冷后節流進入純氮上塔底部參與進一步精餾。在上塔頂部獲得液氮，底部獲得污液氮。污液氮節流后進入上塔冷凝蒸發器蒸發后，經過冷器、主換熱器復熱后出冷箱。液氮與下塔抽取的液氮匯合后作為產品。

圖3 雙塔冷凝蒸發器雙塔流程簡圖

2 三種流程方案數據及優缺點對比

根據以上三種流程，擬定3個方案進行比較，如表2。

由表2可知，總能耗從低到高依次為雙塔雙冷凝蒸發器流程、單塔流程、常規氧氮雙塔流程。但考慮到業主的使用場合特殊，設備將面臨頻繁起停，因此我們認為單塔流程從能耗和使用場景上看是最優選擇。以下再細致分析選擇依據：

（1）單塔流程啟動時只需一個塔建立工況，操作和調純相對簡單，和雙塔流程相比，啟動時間可以縮短12 h以上，按設備每年開停車12次考慮，設備每年在啟動上可節約能耗7500×12×12=108×104kW。

（2）單塔流程冷箱高度約20 m，雙塔雙冷凝器流程冷箱高在35～40 m，而常規雙塔流程冷箱可能達到50 m。鋁材常溫至深冷低溫狀態，收縮率約為3.5/1000。冷箱越高，收縮量越大，所產生的收縮應力也就越大。在頻繁的開停車過程中，單塔冷箱所產生的疲勞應力最小，可靠性安全性將更高。

（3）單塔流程冷凝蒸發器底部液空含氧最高可達60%，雙塔雙冷凝流程最高可達70%，而含氧量越低，越不容易引起碳氫化合物的積聚爆炸，也就越安全。

（4）單塔流程污氮氣含氧量為39%，雙塔雙冷凝流程為51%，污氮用于分子篩再生需電加熱管加熱至170℃，這種情況下氧含量越低運行越安全。

（5）相比有空壓機、氮氣輸送機和循環氮壓機3臺動設備，單塔流程只有空壓機和循環氮壓機2臺動設備；并且相比常規氧氮雙塔流程和雙塔雙冷凝器流程，精餾過程簡潔，控制調節少，操作簡便，上手快，因此維護成本更低。

（6）相比雙塔雙冷凝器流程，單塔流程主冷凝蒸發器的蒸發側含氧量低，飽和溫度低，在保證主冷溫差的前提下，下塔的飽和溫度和壓力也低，下塔抽取的壓力氮經循環氮壓機壓縮后再經兩級膨脹機增壓端增壓后的壓力不超過6.0 MPa，換熱單元的可靠性高。

表2 單塔、常規氧氮雙塔、雙塔雙冷凝蒸發器流程能耗及優缺點對比

3 總結

流程的選擇需要綜合考慮能耗、投資和使用狀態。如果只需要液氮產品，常規氧氮雙塔流程在能耗以及設備投資、操作維護等方面均沒有優勢；雙塔雙冷凝流程雖然可節省約1.8%的能耗，但是流程相對繁瑣，操作維護復雜，同時精餾塔高，對于頻繁開停機不利；而單塔流程簡單，操作維護方便，動設備少，安全性、可靠性最高，設備投資最省。綜合比較，可以認為單塔流程是最佳選擇。