純氮流程的組織＊

卓躍光，王慶波

(開封空分集團(tuán)有限公司，河南開封 475002)

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮?dú)庠诨?、電子、冶金、食品、機(jī)械等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。氮?dú)馐且环N化學(xué)性質(zhì)不活潑的氣體，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，氮?dú)庠谝苯鸸I(yè)、食品冷凍、電子工業(yè)、化工工業(yè)中廣泛用來作為保護(hù)氣和密封氣，一般保護(hù)氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的純氮。

表1 產(chǎn)品規(guī)格Table 1 Product specification

純氮設(shè)備流程隨著用戶的氮?dú)庑枨罅康脑黾樱F(xiàn)在有許多新的技術(shù)應(yīng)用到空分設(shè)備中，流程形式也在推陳出新，根據(jù)不同用戶也推出了針對(duì)性的流程，鑒于篇幅有限，下面對(duì)常用的低溫精餾法制取純氮的五種流程形式進(jìn)行比較與分析，以供空分用戶在選擇工藝流程形式時(shí)進(jìn)行參考。

表1列舉了某套裝置的產(chǎn)品要求。

根據(jù)用戶提供的空分裝置產(chǎn)品規(guī)格，對(duì)各種流程組織方案進(jìn)行計(jì)算和比較后，提出以下五種具有代表性的流程組織方案。

1 方案一:傳統(tǒng)單塔流程組織方式

從冷箱出來直接得到0.8 MPa的壓力氮?dú)馑屯脩?。流程圖見圖1。

整套空分設(shè)備包括:空氣過濾系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、液體貯存系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。

空氣首先進(jìn)入自潔式空氣過濾器，在空氣過濾器中除去灰塵和其它顆粒雜質(zhì)，然后進(jìn)入主空壓機(jī)，經(jīng)過多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻器冷卻后進(jìn)入空冷塔或者冷氣機(jī)組。

空氣在進(jìn)入分子篩吸附器前在冷氣機(jī)組或者空冷塔中冷卻，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(fù)荷，并對(duì)空氣進(jìn)行洗滌。進(jìn)入空冷塔的冷卻水來自循環(huán)水，進(jìn)入空冷塔的冷凍水，在水冷塔中利用干燥的出分餾塔污氮?dú)膺M(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入空冷塔上部。

分子篩純化系統(tǒng)由兩臺(tái)分子篩吸附器和兩臺(tái)電加熱器或者蒸汽加熱器組成，分子篩吸附器吸附空氣中的水分、二氧化碳和一些碳?xì)浠衔?，兩臺(tái)分子篩吸附器一臺(tái)工作，另一臺(tái)再生。再生氣的加熱由電加熱器或者蒸汽加熱器完成。

凈化后的空氣進(jìn)入分餾塔，通過主換熱器、液化器與返流低溫廢氣和產(chǎn)品氮?dú)膺M(jìn)行熱交換，冷卻后進(jìn)入精餾塔底部，經(jīng)過精餾分離為產(chǎn)品氮?dú)夂透谎跻嚎?，塔底液空?jīng)過冷后節(jié)流進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器與氮?dú)庀嘧儞Q熱，液空蒸發(fā)為廢氣，氮?dú)饫淠蟠蟛糠肿鳛榫s塔回流液，小部分作為液氮產(chǎn)品抽出送入液體貯槽。

廢氣由冷凝蒸發(fā)器頂部引出經(jīng)過冷器、液化器復(fù)熱后去透平膨脹機(jī)膨脹，給裝置補(bǔ)增冷量，膨脹廢氣經(jīng)過冷器、液化器、主換熱器復(fù)熱至常溫后出分餾塔，部分作為純化系統(tǒng)再生氣，其余進(jìn)入預(yù)冷系統(tǒng)。

產(chǎn)品氮?dú)鈴木s塔塔頂引出，經(jīng)液化器、主換熱器復(fù)熱至常溫出分餾塔。

圖1 方案一:傳統(tǒng)單塔流程Fig.1 Option 1:conventional single-column process

2 方案二:傳統(tǒng)單塔流程+膨脹機(jī)增壓端增壓組織方式

從冷箱得到0.72 MPa的壓力氮?dú)?，再?jīng)過膨脹機(jī)增壓端增壓到0.8 MPa后送往用戶。

方案二與方案一相比是利用膨脹機(jī)的增壓端將產(chǎn)品氮?dú)庠鰤?，而方案一采用風(fēng)機(jī)、油或者電制動(dòng)。其余與方案一相同，詳見圖2。

3 方案三:單塔+氮壓機(jī)外壓縮流程組織方式

從冷箱得到0.4 MPa的壓力氮?dú)膺M(jìn)入離心或者活塞氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮至0.8 MPa送給用戶，其余與方案一相同，詳見圖3。

4 方案四:雙塔+氮壓機(jī)外壓縮流程組織方式

從冷箱得到0.005 MPa的壓力氮?dú)膺M(jìn)入活塞或者離心氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮至0.8 MPa，送給用戶。

流程組織詳見圖4，與常規(guī)的外壓縮流程形式相同，不再詳細(xì)描述。

5 方案五:雙塔+氮壓機(jī)外壓縮流程組織方式

從冷箱得到0.25 MPa的壓力氮?dú)膺M(jìn)入離心氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮至0.8 MPa，送給用戶。流程組織詳見附圖5。

此種流程配有高壓塔與低壓塔，兩種精餾塔都帶有冷凝器，結(jié)構(gòu)形式與方案一基本相同，操作壓力分別為0.7 MPa與0.3 MPa。氮?dú)馐菑牡蛪核捻敳砍槌?，?jīng)過過冷器、換熱器復(fù)熱后送出冷箱。

針對(duì)五種方案，計(jì)算各自方案的能耗、投資及運(yùn)行成本，如表2所示。

從以上各種流程形式對(duì)比情況來看，方案一的流程形式操作比較簡(jiǎn)單、方便，采用直接提高空氣壓縮機(jī)的壓力來得到氮?dú)猱a(chǎn)品，由于下塔操作壓力高，從而主冷的操作壓力相應(yīng)較高，可以達(dá)到0.4 MPa，如果廢氣全部膨脹，可以多提取一定比例的液氮，如在上述壓力、氮?dú)饬髁肯?，可以產(chǎn)出大約2900 Nm3/h的液氮，當(dāng)然空氣壓縮機(jī)的流量也需要相應(yīng)增加。此種流程形式不需要增加額外的機(jī)器，膨脹機(jī)采用風(fēng)機(jī)制動(dòng)，氮?dú)馑统鰤毫Ρ容^穩(wěn)定。

缺點(diǎn)是能耗較高，氮?dú)馓崛÷实?。如果企業(yè)有自己的發(fā)電廠或者采用汽輪機(jī)拖動(dòng)空氣壓縮機(jī)而且價(jià)格便宜，此種方案為首選。

表2 五種方案的對(duì)比結(jié)果Table 2 Comparison among five options

方案二比方案一操作較復(fù)雜，產(chǎn)品氮?dú)鈴呐蛎洐C(jī)的增壓端抽出，利用了膨脹機(jī)的膨脹功來提高產(chǎn)品氣的壓力，降低了空氣壓縮機(jī)的排氣壓力，比方案一節(jié)省部分能耗。

缺點(diǎn)是其產(chǎn)品氣的壓力需要根據(jù)膨脹機(jī)的做功來決定，在空分設(shè)計(jì)條件下，膨脹量越多，產(chǎn)品氣增加壓力越多，空壓機(jī)排氣壓力降低，反之相反。此種流程形式的缺點(diǎn)是如果空分在設(shè)計(jì)工況下，氮?dú)猱a(chǎn)品壓力可以達(dá)到0.8 MPa，但是如果空分液體量減少或者降低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)產(chǎn)品氣壓力也要跟著變化，從而導(dǎo)致后續(xù)氣源的不穩(wěn)定性，和方案一一樣，這種流程能耗較高，但是相對(duì)方案一較低。

方案三的分餾塔系統(tǒng)流路組織形式與方案一基本相同，只是增加了一臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)。這種方案空氣壓縮機(jī)排氣壓力0.48 MPa，從冷箱出來的產(chǎn)品氣為0.4 MPa，然后經(jīng)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮至0.8 MPa。這種流程氮?dú)馓崛÷瘦^高，空氣壓縮機(jī)排壓降低。增加了一臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)投資增加約400萬，但是由于年運(yùn)行成本較低，半年就可以回收，所以值得采用。

缺點(diǎn)是另外增加了一臺(tái)活塞式或者離心氮?dú)鈮嚎s機(jī)，操作較復(fù)雜。另外由于下塔操作壓力為0.42 MPa，從而主冷操作壓力約為0.15 MPa，這樣膨脹機(jī)機(jī)前壓力約為0.14，機(jī)后壓力一般為0.035 MPa，膨脹比較小，從而膨脹量較大導(dǎo)致膨脹機(jī)葉輪較大。在大型純氮空分上就需要采用2臺(tái)以上的膨脹機(jī)。如果用戶要求壓力大于1.0 MPa，此種方案具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

方案四是常規(guī)的外壓縮流程形式，可以產(chǎn)氧、氮、液氧、液氮，同時(shí)可以副產(chǎn)液氬。低壓氧氣與氮?dú)夥謩e從上塔的頂部與底部得到，從冷箱出來后壓力約為常壓，一般需要壓縮機(jī)來提高產(chǎn)品氣的壓力供用戶使用。此種流程形式為常規(guī)外壓縮空分設(shè)備，流程形式比較成熟，可以產(chǎn)出一定比例的氧氣，適合用戶需要氧氣或者周邊有需要氧氣或者液氧的企業(yè)。其投資最多，能耗一般。

方案五是在方案一的基礎(chǔ)上改進(jìn)過來的流程形式，可以生產(chǎn)兩種氮?dú)猱a(chǎn)品，壓力分別為0.6 MPa與0.25 MPa，如果用戶需要0.25 MPa左右的低壓氮?dú)?，采用此種流程形式具有一定的優(yōu)勢(shì)。與上述四種方案相比，其能耗一般，投資較多，操作較復(fù)雜，產(chǎn)液量較少，另外氮?dú)鈮嚎s機(jī)要進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，投資成本較高。

從以上方案比較可以看出，如果需要大液體的時(shí)候方案一、二比較適合，如果液體比例較少，方案三、四、五優(yōu)先選用。

以上列舉了最常見的五種方案組織形式，在比較時(shí)也是限制氮?dú)鈮毫?.8 MPa，但是實(shí)際上純氮流程的產(chǎn)品氣壓力一般從0.005～3.0 MPa不等，所以采用何種流程形式需要用戶及空分廠家根據(jù)實(shí)際情況、實(shí)際計(jì)算來找出適合用戶自己的方案，既節(jié)省投資、能耗，又為用戶帶來方便。