1、全液體空分工藝流程說明液體空分設(shè)備通常是指以直接生產(chǎn)液氧、液氮產(chǎn)品的空分設(shè)備，這種空分設(shè)備一般不生產(chǎn) 或少量生產(chǎn)氣體產(chǎn)品。為了要獲得大量的液氧和液氮產(chǎn)品，目前大致有二種方法：一是先生產(chǎn)氣態(tài)產(chǎn)品，然后 再根據(jù)需要采用液化裝置將氣態(tài)產(chǎn)品液化，這種方法能耗相對較高；另一種方法是直接采 用液體空氣設(shè)備生產(chǎn)液氧和液氮產(chǎn)品，與前者相比該法能耗較低，液體空分設(shè)備從流程的 組織上來看可以視為是常規(guī)氣態(tài)產(chǎn)品空分設(shè)備和液化裝置的二者結(jié)合體，因此其流程要相 對復(fù)雜一些。為了降低液體空分設(shè)備產(chǎn)品的中耗，應(yīng)根據(jù)用戶提出的需求條件，在工藝流 程的組織上要進(jìn)行多個(gè)方案的技術(shù)比較。目前液體空分設(shè)備根據(jù)工作壓力的等級不同，一般

2、可分為低壓循環(huán)和中壓循環(huán)二大類， 在低壓循環(huán)中按照制冷系統(tǒng)的組織方式不同又分成帶增壓透平膨脹機(jī)制冷和帶增壓透平膨 脹機(jī)加低溫予冷機(jī)制冷的二種流程。在中壓循環(huán)流程中因采用的制冷循環(huán)工質(zhì)的不同一般 分成空氣循環(huán)和氮?dú)庋h(huán)，同樣在中壓循環(huán)中按照制冷系統(tǒng)的組織方式不同也分成帶增壓 透平膨脹機(jī)加低溫予冷機(jī)制冷和帶高、低溫增壓透平膨脹機(jī)制冷的二種流程。液體空氣設(shè)備流程的選擇應(yīng)根據(jù)用戶提出的液體產(chǎn)品產(chǎn)量、純度、品種等要求，來選擇 和確定液體空分設(shè)備的工藝流程、單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式和組織方式。一般來說液氧產(chǎn)量小 于 1000Lh 的屬小型液體空分設(shè)備，目前多數(shù)是采用全低壓 (1.OMPa) 利用空氣循環(huán)制冷的

3、工藝流程。因?yàn)橐后w產(chǎn)量較小，同時(shí)為簡化流程，達(dá)到操作方便，一般在流程中原料空氣 和制冷循環(huán)空氣可由一臺(tái)壓縮機(jī)提供。這種流程單位產(chǎn)品能耗較高。當(dāng)液體產(chǎn)品在2000-3000m立方/h(折成氣態(tài))以上時(shí)，將屬于中大型液體空氣設(shè)備，由于 液體產(chǎn)品數(shù)量加大，要求裝置必須提供更多的冷量。而在低壓流程中氣體的液化是通過相 變過程來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楣ぷ鲏毫Φ停瑲怏w膨脹產(chǎn)冷量小，最終氣體液化率低，那么為要獲 得大量的冷量就必須大幅度的提高循環(huán)空氣量，這樣會(huì)造成單位產(chǎn)品能耗的大幅度升高。 因此在工藝流程上必須由低壓循環(huán)改為中壓制冷循環(huán)，由于氣體液化工作壓力的提高，其 相應(yīng)的液化溫度也隨之提高，那么單位氣體液化所需的

4、冷量就會(huì)減少，當(dāng)氣體液化壓力超 過其臨界壓力而溫度低于臨界溫度時(shí)，氣體液化過程中就不存在等溫的冷凝過程，而是直 接變成液體，這樣就能減少中壓流程中的循環(huán)氣量，使單位液體產(chǎn)品能耗大大的降低，這 正是中壓流程為什么經(jīng)濟(jì)性好的重要原因。在中大型液體空分設(shè)備中原料空氣部分采用低 壓(0.6MPa)，而循環(huán)氣體為中壓(壓縮機(jī)壓力為2.5-3.OMPa),即分為空氣循環(huán)和氮?dú)庋h(huán)二 種。關(guān)于在制冷循環(huán)中如何確定膨脹機(jī)的臺(tái)數(shù)和運(yùn)行方式及其參數(shù)，這將取決于用戶提供 的要求。下面將對兒種工藝流程在組織中的技術(shù)問題進(jìn)行分析討論。低壓小型液體空分設(shè)備工藝流程現(xiàn)對國內(nèi)已開發(fā)成功的小型全低壓液體空分設(shè)備在流程組織上的一

5、些技術(shù)特點(diǎn)作一分析。本設(shè)備是采用低壓帶增壓透平膨脹機(jī)及空氣制冷循環(huán)的工藝流程。空氣經(jīng)空氣過濾器被透平空壓機(jī)壓縮至 1.0MPa(G) 壓力，經(jīng)末級冷卻器冷卻后將全部空氣送入增壓機(jī)中增壓， 經(jīng)增壓后的空氣分別在予冷機(jī)組和分予篩純化器中予冷、凈化，然后進(jìn)入主換熱器中冷卻。 當(dāng)空氣被低溫返流氣體冷卻到某一溫度時(shí)，空氣全部從主換熱器中抽出送入低溫予冷機(jī)組 中冷卻，冷卻后再將全部空氣返回主換熱器中繼續(xù)冷卻，在達(dá)到某一溫度后空氣被分成二 部分大部分空氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹制冷，膨脹后的低壓空氣返回主換熱器，經(jīng)回收冷量 后送入空氣透平壓縮機(jī)入口循環(huán)使用；另一部分空氣繼續(xù)在主換熱器中冷卻，在達(dá)到一定 含濕量時(shí)進(jìn)

6、入下塔。空氣在雙級精餾塔內(nèi)精餾最終獲得液體氧(氮 )產(chǎn)品，液體產(chǎn)品直接排放至冷箱外的液體。貯槽內(nèi)液體產(chǎn)量不大時(shí)，雖然應(yīng)用全低壓流程是合理的、可行的，但 是單位產(chǎn)品能耗相對較高。因此當(dāng)采用這種流程時(shí)必須設(shè)法降低能耗，為此在該流程中采 用了以下幾項(xiàng)提高其經(jīng)濟(jì)性的措施：(1) 采用全部空氣進(jìn)行增壓，該法優(yōu)于僅對膨脹部分空氣進(jìn)行增壓的方法，因?yàn)檫@不盡提 高了膨脹前空氣壓力，更重要的是提高了入塔部分空氣的壓力，由于入塔空氣壓力的提高， 入塔空氣的露點(diǎn)溫度即液化溫度也相應(yīng)提高，從而可以提高膨脹前空氣的溫度，這有利于 提高單位膨脹空氣的制冷量。如果裝置所需的冷量一定時(shí)，膨脹空氣量就能減少，最終使 總的加工空

7、氣量下降，經(jīng)計(jì)算分析其能耗一般可下降約2。(2) 采用常溫和低溫二級予冷的方法，提高了有效能的利用，從計(jì)算得知入塔空氣的液化 率會(huì)有較大幅度的提高，單位液體產(chǎn)品的能耗一般可下降 2-3% 左右。(3) 流程中采用了全部加工空氣先經(jīng)增壓再進(jìn)入予冷機(jī)組和分予篩純化器的方法，由于工 作壓力升高，二機(jī)組的體積尺寸和分予篩吸附劑用量都將會(huì)相應(yīng)減少，同時(shí)又選用了空氣 下進(jìn)下出內(nèi)加溫節(jié)能型結(jié)構(gòu)的分予篩純化器。(4) 冷箱內(nèi)采用先進(jìn)的保溫措施。另外在這一流程的設(shè)計(jì)和選擇中，曾考慮到空氣從壓縮機(jī)出來去增壓的過程中，當(dāng)環(huán)境 溫度過低時(shí)，管道內(nèi)空氣會(huì)發(fā)生機(jī)械水析出影響增壓機(jī)葉輪壽命的問題。如改用壓縮后的 空氣先經(jīng)予

8、冷、凈化后再去增壓或?qū)ε蛎洸糠值目諝膺M(jìn)行增壓的方案，可避免這一問題發(fā) 生，但經(jīng)計(jì)算分析比較認(rèn)為后者方案存在以下缺點(diǎn)：a)會(huì)引起加工空氣和膨脹部分空氣入塔溫度升高；b)如僅對膨脹 部分空氣增壓會(huì)造成二股入塔空氣溫度不一致，同時(shí)換熱器面積加大通道結(jié)構(gòu)相對復(fù)什c)予冷、凈化機(jī)組尺寸，分予篩吸附劑用量相應(yīng)加大；d)操作不便，單位液體產(chǎn)品能耗高，最終沒有被采用。為了防止帶壓空氣去增壓的過程中，因環(huán)境溫度過低會(huì)有機(jī)械水析出損壞增壓機(jī)葉輪的 問題，除在流程中增設(shè)特殊的水分器外，在工藝配管上又作了多項(xiàng)改進(jìn)，這一設(shè)備在實(shí)際 運(yùn)行中，曾因環(huán)境溫度變化出現(xiàn)過機(jī)械水析出，但由于所采用的措施正確，避免了機(jī)械水 損壞增壓

9、機(jī)葉輪的問題。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)情況良好，備項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在同類產(chǎn)品中處于 領(lǐng)先水平，這些技術(shù)在小型液體空分設(shè)備上的應(yīng)用成功，具有一定的技術(shù)創(chuàng)新。中壓空氣循環(huán)膨脹制冷流程目前中大型液體空分設(shè)備的需求量在不斷增長，對于以液氧產(chǎn)品為第一工況的液體空分 設(shè)備，應(yīng)用空氣循環(huán)流程是比較合適的，因?yàn)檫@種流程不僅可以獲得液氧和部分液氮產(chǎn)品 外，還可以最大限度的提取液氬產(chǎn)品。在中壓空氣循環(huán)流程中，膨脹制冷系統(tǒng)的組織方式 現(xiàn)一般有二種一種是配置高、低溫增壓透平膨脹機(jī)；另一種是低溫予冷機(jī)組加低溫增壓透 平膨脹機(jī)。這一流程的特點(diǎn)是將分子篩純化器后的低壓空氣和高、低溫膨脹機(jī)膨脹后返回主換機(jī)器 經(jīng)冷量回收后的低壓空氣一起送

10、至中壓循環(huán)壓縮機(jī)入口，經(jīng)壓縮后的中壓空氣分成二部分： 一部分空氣經(jīng)主換熱器冷卻到一定溫度后送入高溫級增壓透平膨脹機(jī)膨脹制冷，膨脹后的 低壓空氣經(jīng)主換熱器回收冷量后返回至中壓壓縮機(jī)入口；另一部分空氣直接進(jìn)入高、低溫 級透平膨脹機(jī)的增壓機(jī)中連續(xù)增壓，增壓后的這部分空氣在主換熱器中予冷到一定溫度后 再分成二股一股送入低溫級增壓透平膨脹機(jī)膨脹制冷后按規(guī)定量進(jìn)入下塔； 另一股空氣在主換熱器中繼續(xù)冷卻當(dāng)達(dá)到一定含濕量經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入下塔，空氣在雙級精餾 塔內(nèi)精餾最終獲得液體氧 （氮 ）產(chǎn)品，液體產(chǎn)品直接排放至冷箱外的液體貯槽內(nèi)。在流程中 由于沒有設(shè)置高溫級透平膨脹機(jī)，那么經(jīng)計(jì)算在流程中必須增設(shè)低溫予冷機(jī)組，否

11、則單位 液體產(chǎn)品能耗將會(huì)上升。眾所周知在流程中設(shè)置高溫級透平膨脹機(jī)或低溫予冷機(jī)組，其目 的都是用來補(bǔ)充主換熱器中熱段的冷量，最終縮小主換熱器熱端溫差，減少返流氣量即循 環(huán)空氣量達(dá)到提高流程的經(jīng)濟(jì)性。為進(jìn)一步降低單位產(chǎn)品的能耗，在配套部機(jī)的設(shè)計(jì)和選 型中應(yīng)作如下考慮：原料空氣和中壓循環(huán)空氣壓縮機(jī)均采用高效定型的透平壓縮機(jī)；分予篩純化器應(yīng)用雙層 床結(jié)構(gòu)；主換熱器為高效、結(jié)構(gòu)緊湊的中低壓氣體復(fù)合型板翅式換熱器；上塔使用規(guī)整填 料塔；氬的提取為全精餾制氬全套裝置的控制采用當(dāng)今較為先進(jìn)的 DCS 系統(tǒng)。中壓氮?dú)庋h(huán)膨脹制冷流程目前有很多用戶要求在生產(chǎn)液氧產(chǎn)品的同時(shí)，又能夠生產(chǎn)較大量的液氮產(chǎn)品，有的甚至

12、液氮產(chǎn)量要超過液氧產(chǎn)量，在這種情況下為提高其整個(gè)液體空分裝置的合理性和經(jīng)濟(jì)性， 在工藝流程的組織上，建議采用氮?dú)庋h(huán)制冷的流程。在流程中循環(huán)氮?dú)獾某槿》椒ìF(xiàn)有二種：一種是從上塔頂部抽取低壓產(chǎn)品氮?dú)庠鰤褐林?壓；另一種是從下塔抽取壓力氮?dú)庠僭鰤褐林袎骸ｊP(guān)于制冷循環(huán)的組織與空氣循環(huán)一樣， 有設(shè)置高、低溫增壓透平膨脹機(jī)的制冷循環(huán)和低溫予冷機(jī)加低溫增壓透平膨脹機(jī)的制冷循 環(huán)。流程的主要特點(diǎn)是采用由上塔頂出冷箱的低壓產(chǎn)品氮?dú)庾鳛檠h(huán)氮?dú)夂鸵旱a(chǎn)品的原料 氣，低壓氮?dú)饨?jīng)低壓和中壓二臺(tái)透平壓縮機(jī)壓縮至2.53. OMPa 壓力，然后將壓縮后的中壓氮?dú)夥殖啥糠郑阂徊糠种袎旱獨(dú)庠谥鲹Q熱器中予冷到一定溫度后送入

13、高溫級增壓透平 膨脹機(jī)，膨脹后的氮?dú)饨?jīng)主換熱器回收冷量后返回至中壓氮壓 縮機(jī)入口；另一部分中壓氮?dú)庵苯铀腿敫摺⒌蜏丶壨钙脚蛎洐C(jī)的增壓風(fēng)機(jī)中連續(xù)增壓，經(jīng) 過增壓后的這部分壓力較高的中壓氮?dú)饨?jīng)主換熱器予冷到一定溫度時(shí)再分成二股：一股送 入低溫級增壓透平膨脹機(jī)，膨脹后的氮?dú)饨?jīng)主換熱器回收冷量后返回至中壓氮壓縮機(jī)入口； 另一小股繼續(xù)冷卻經(jīng)節(jié)流后生產(chǎn)液氮，其中一部分液氮作為產(chǎn)品，其余液氮送至下塔作回 流液。流程的特點(diǎn)是從下塔抽取壓力氮作為循環(huán)氮?dú)獠⒃O(shè)有低溫予冷機(jī)組。總之這種液體 空分裝置可以說是由一套全精餾的氣體空分設(shè)備和一套氮循環(huán)的液化設(shè)備所組成。該流程 完全可以根據(jù)用戶要求在生產(chǎn)液氧、液氮產(chǎn)品的同時(shí)

14、提取高純氛和高純氧等產(chǎn)品。流程組織中應(yīng)注意的問題 工藝流程的確定依據(jù)和原則液體空分設(shè)備的流程確定和組織，完全是針對用戶的需求來進(jìn)行的，其中產(chǎn)品數(shù)量、純 度、品種、能耗、控制水平和變工況參數(shù)等都是流程確定和組織中應(yīng)考慮的重點(diǎn)。由于液 體空分設(shè)備提供的是高品位的低溫液體產(chǎn)品，單位產(chǎn)品能耗顯然要高于氣體空分設(shè)備，因 此如何降低能耗就成了流程組織中的關(guān)鍵問題，同時(shí)液體空分設(shè)備的產(chǎn)量又受到產(chǎn)品儲(chǔ)存、 市場需求等因素的制約，所以在確定其產(chǎn)量規(guī)模時(shí)必須慎重。為進(jìn)一步降低單位液體產(chǎn)品 的能耗，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量做到選配高效定主主主 J 產(chǎn)品，努力提高換熱器和精餾設(shè)備的傳 熱傳質(zhì)效率。制冷循環(huán)方式的確定對于只設(shè)置一

15、臺(tái)低溫級增壓透平膨脹機(jī)的中壓空氣循環(huán)和中壓氮?dú)庋h(huán)的這二種流程， 我們認(rèn)為要提高其裝置的經(jīng)濟(jì)性，降低單位液體產(chǎn)品能耗，經(jīng)計(jì)算分析，在流程中應(yīng)設(shè)置 蒸發(fā)溫度在-35C了 I右的低溫予冷機(jī)組。當(dāng)設(shè)置了高、低級膨脹機(jī)后，在流程中一般就不再配置低溫予冷機(jī)組。這里應(yīng)指出的是 無論采用哪種循環(huán)流程，因?yàn)楣ぷ鲏毫Φ奶岣撸谔峁┑睦淞恳欢〞r(shí)這將會(huì)造成進(jìn)入膨脹 機(jī)氣體體積流量的減少，使高效透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)及制造帶來一定困難，為此必須對流程 進(jìn)行多個(gè)方案的計(jì)算比較，以便給膨脹機(jī)設(shè)計(jì)提供最佳的參數(shù)。對于液體空分設(shè)備中的膨 脹機(jī)目前均希望能采用氣體在含濕條件下工作的高效增壓透平膨脹機(jī)，要求在該工況條件 下能提供更多的

16、為使產(chǎn)品液化的高品位冷量。精餾系統(tǒng)工況分析通常在液體空分設(shè)備中進(jìn)入下塔空氣中的含濕量是相當(dāng)大的，這會(huì)使下塔的精餾工況發(fā) 生一定的變化，對于裝置要在生產(chǎn)液氧、液氮產(chǎn)品的同時(shí)再提取高純度氮、氧、氛產(chǎn)品， 因此在對上、下塔的設(shè)計(jì)中一定要注意正確的解決好備物料的進(jìn)出位置、塔板效率和塔板 及填料結(jié)構(gòu)等問題。例如在下塔的設(shè)計(jì)中為改善精餾工況和提高氛的提取率，一般將入下 塔空氣中的液空部分分離出來，并從入下塔空氣位置向上計(jì)數(shù)的第912 塊塔板處導(dǎo)入為宜。關(guān)于如何提高液體空分設(shè)備氛提取率的問題，經(jīng)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)氛的提取率與從下塔抽取 的液氮產(chǎn)品量有著很大的關(guān)系。具體說液氮抽量直接影響到上塔精餾段的液氣比大小，產(chǎn) 品液氮抽量加大，上塔精餾段液氣比減小，氛提取率下降，