帶輔冷制冷循環(huán)的大型雙塔制氮流程設計*

黃震宇，賴勇杰

(四川空分集團工程有限公司，四川 簡陽 641400)

0 引 言

隨著新興光電產(chǎn)業(yè)和特殊石化行業(yè)等的飛速發(fā)展,對氮氣產(chǎn)品的需求量越來越大,液氮的儲備和需求也越來越受到重視。氮氣作為保護氣，在工廠保安、化工開車時需要量很大，需要大量的液氮汽化來補充；而在化工開車完成后，氮氣的需求量將急劇減少，液氮的需求隨著減小。其次液氮用于貯存后備，作為裝置出故障時的保障供氣，一旦后備液氮消耗完，為保障安全供氣，需短期內大幅度提高液氮產(chǎn)量貯存。故一般用戶既希望制氮裝置即具備大量生產(chǎn)液氮的能力，還希望在氮氣需求小的時候，制氮裝置能低液體產(chǎn)量運行，從而降低生產(chǎn)能耗。典型的工藝如煤制烯烴就需要此類型高氮裝置，要求生產(chǎn)規(guī)模大、液體生產(chǎn)能力很大，且還能在低液體產(chǎn)量時總能耗低。筆者通過對工藝流程組織的優(yōu)化，達到了提高氮提取率、降低裝置單位能耗的技術要求，為廣大用戶提供了一種能耗較低、液體負荷變化大的制氮流程設計。

1 傳統(tǒng)高氮流程的局限性

目前，一般制氮裝置的生產(chǎn)能耗較高，且由于其需要長期運行，已成為工廠里的耗能大戶，使得有效的降低制氮裝置的運行能耗對整個工廠尤為重要。但是，現(xiàn)有的制氮流程中，如單塔高氮流程(見圖1)，其能耗較高，液氮產(chǎn)量的調節(jié)受限制，工況調整較為困難，不滿足液氮產(chǎn)量調節(jié)范圍大的要求；而如單塔制冷循環(huán)高氮流程(見圖2)，其氮氣規(guī)模很大，但其液體量減少時能耗較高，且制氮能耗也較高，不滿足能耗低的需求。最后，雙精餾塔流程擁有提取率高的特點，但是增壓透平膨脹機的膨脹比小，液體產(chǎn)量受限制；液體量增大時，膨脹量增大，較大幅度的改變了膨脹總量，對塔的工況影響較大，同時操作相對困難，最大液體產(chǎn)量也不大，不能滿足用戶的需求，對于液體產(chǎn)量大的制氮裝置不太適用。

圖1 典型單塔高氮流程簡圖

圖2 單塔制冷循環(huán)高氮流程簡圖

針對上述存在的問題，一種帶制冷循環(huán)的雙塔輔冷制氮裝置，可以滿足上述提到的需求，顯著提高了液氮產(chǎn)量和調節(jié)范圍，同時利用高溫高焓降、膨脹比大的特點，降低了制氮裝置的能耗。

2 制氮流程裝置及工藝流程方案設計

帶制冷循環(huán)的大型雙塔輔冷制氮流程，類似于常規(guī)雙塔空分，但上塔為壓力塔，塔頂有輔助冷凝蒸發(fā)器，配膨脹空氣進上塔膨脹機和制冷循環(huán)膨脹機，工藝流程簡圖如圖3。

圖3 帶制冷循環(huán)的大型雙塔輔冷高氮流程簡圖

本流程主要設備有：制冷循環(huán)增壓透平膨脹機(ET401)、換熱器(E1)、液空液氮過冷器(E2)、液氮過冷器(E3)、主冷凝蒸發(fā)器(K1)、輔助冷凝器(K2)、下塔(C1)、上塔(C2)、輔助增壓透平膨脹機(ET402)。其中，上塔(C2)是壓力塔，上塔(C2)頂部設置有輔助冷凝器(K2)。其中換熱器(E1)既可以是分置式，也可以是合置式。

工藝簡述如下：純化后的壓力空氣分成三股，一股直接去冷箱主換熱器被返流氣體冷卻到露點進入下塔參與精餾；另一股去輔助膨脹機的增壓端，增壓冷卻后去主換熱器冷卻到一定溫度去輔助膨脹機膨脹，膨脹后去上塔參與精餾；最后一股去制冷循環(huán)膨脹機的增壓端增壓冷卻后去主換熱器進一步冷卻，去制冷循環(huán)膨脹機膨脹，膨脹后的氣體回主換熱器復熱，再去空壓機入口，形成制冷循環(huán)。

下塔經(jīng)過精餾獲得液氮、較高壓力的氮氣、液空，其中較高壓力的氮氣復熱后作為氮氣產(chǎn)品(1)出冷箱，液氮及液空經(jīng)過冷后去上塔參與精餾。主冷抽取的富氧液空節(jié)流后去上塔頂部輔冷，為輔冷氮氣的冷凝提供冷量。上塔經(jīng)過精餾獲得液氮、壓力氮氣，其中液氮被返流的富氧空氣過冷后出冷箱，壓力氮氣依次經(jīng)過液空液氮過冷器、主換熱器復熱后作為氮氣產(chǎn)品(2)出冷箱。輔冷中，來自主冷的富氧液空被蒸發(fā)，得到較高濃度的富氧空氣，經(jīng)復熱后出冷箱，一部分作為再生氣去純化系統(tǒng)，剩余部分去預冷系統(tǒng)。

本工藝流程具備如下顯著的特點。

(1) 利用增壓透平膨脹機循環(huán)制冷，原料空氣壓力高，膨脹前溫度高，焓降大，具有明顯的低能耗優(yōu)勢。膨脹機制冷循環(huán)方法，可通過開兩臺膨脹機及增大膨脹量而生產(chǎn)較多的液體，制冷量大，所需膨脹氣量小，液氮生產(chǎn)能耗低，為生產(chǎn)較多液體的工況提供保障。同時，液體產(chǎn)量通過制冷循環(huán)調節(jié)，對精餾系統(tǒng)的影響小，易于操作，保證產(chǎn)品質量。

(2) 可直接獲得兩種壓力等級的氮氣，一種從下塔抽取較高壓力氮氣直接供用戶使用，有利于保證上塔頂部抽取氮的品質，還可以大幅度降低氮中氬含量；另一種從上塔頂取出部分氮氣作為產(chǎn)品或增壓后作為產(chǎn)品供用戶使用。同時，可根據(jù)液體產(chǎn)量得需求，調節(jié)兩股氮氣抽出比例，進一步降低能耗。

(3) 可根據(jù)需要配合使用輔助增壓透平膨脹機，將空氣膨脹后送入上塔，充分發(fā)揮上塔的潛能，提高提取率；如不需要大液氮工況時，可停運制冷循環(huán)膨脹機，降低能耗。

(4) 膨脹機制冷能力覆蓋廣、液體產(chǎn)量調節(jié)范圍寬。

(5) 系統(tǒng)壓力高，制冷氣體能量密集，停運制冷膨脹機對裝置影響小，易于空壓機降負荷運行；

(6) 預處理系統(tǒng)小，具有流程組織優(yōu)化、設備投入成本低、能耗降低顯著的特點，比較適合大型、超大型高氮裝置。

(7) 特別是開車工況通過完全停運膨脹機，外部液氮輸入冷量，最大負荷生產(chǎn)氣體氮氣，可增加10%的氮氣產(chǎn)量，進一步減少對液體的需求；通過比較液體工況，該流程比常規(guī)單塔制冷循環(huán)流程能耗降低～20%。

3 制氮工藝流程比較

以某公司設計的一套35 000 Nm3/h,9 bara，3 PPmO2制氮裝置為例；假設壓縮機、膨脹機均為進口，根據(jù)容積流量、壓縮比適當調整效率，A采用單臺制冷循環(huán)流程，B采用雙塔輔冷制冷循環(huán)流程；通過HYSYS進行模擬計算，結果如表1所列。

表1 制氮工藝流程比較

通過上表的參數(shù)對比，可以看出：

(1) 雙塔輔冷制冷循環(huán)流程的預處理系統(tǒng)小，設備投入成本低。

(2) 雙塔輔冷制冷循環(huán)流程的總能耗低，低液體工況比單塔制冷循環(huán)流程低約27.1%，液體工況比單塔制冷循環(huán)流程低約30%。

(3) 雙塔輔冷制冷循環(huán)流程的提取率高，液體工況比單塔制冷循環(huán)流程液體工況高約31.1%，低液體工況高約28%。雙塔輔冷制冷循環(huán)流程流程液氮增加的單耗約節(jié)能14.94%。

4 結 論

此次設計利用雙塔精餾加大氧氮的分離程度，提高氮的提取率，低液體負荷利用雙塔的精餾潛力，液體工況利用膨脹前壓力越高，膨脹前溫度越高，焓降(制冷量)大的特點，大大降低兩種工況的原料空氣量，從而達到節(jié)能降耗的目的。雖然本設計投資要略高，但裝置系長期運行， 節(jié)省運行費用非?？捎^。如以上述配套5 400 m3液氮貯槽,日蒸發(fā)率0.15%，產(chǎn)品液氮氣化率按3%考慮，需110天才能灌滿，一罐液氮可節(jié)約能耗～51.8萬千瓦，氮氣生產(chǎn)1年按8 400 h計算，約節(jié)約能耗1 860萬千瓦。

(1) 雙塔輔冷制冷循環(huán)流程，其能耗遠低于常規(guī)單塔制冷循環(huán)，液體工況比常規(guī)單塔制冷循環(huán)流程，液體能耗降低約14.94%；配置一大一小兩臺膨脹機，使產(chǎn)品產(chǎn)量具有很大的調節(jié)性能，調節(jié)靈活，工況范圍覆蓋廣而且全面。

(2) 在同等產(chǎn)量的情況下，雙塔輔冷制冷循環(huán)流程的氮提取率更高，配套機組和預處理系統(tǒng)小，設備投入成本低。

(3) 由于氮提取率的提高，雙塔輔冷制冷循環(huán)流程中的再生氣含氧量將升高，但由于是低壓低純氧，再生氣加熱器的設計選型及制造上宜采用不銹鋼材質，提高燃點、防止內漏等問題，安全性就可以得到保障。再生切換閥宜選用閥芯為不銹鋼材質，再生氣出口管建議采用不銹鋼材質。