李传明，冯钰
（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州311402）
［摘 要］现阶段市场上产能大于100 t/d的高氮氧比液体空分装置均采用中压氮气双增压膨胀循环制冷工艺。针对某高氮氧比液体空分装置，对采用改进型空气循环制冷工艺（与常规空气循环双膨胀制冷工艺有所区别）和传统氮气循环制冷工艺（两者均为中压循环双膨胀制冷工艺流程）进行模拟计算和详细的比对分析，发现两者在设备（原料空气压缩机、氮气喂气机、循环压缩机及静设备等）投资成本、操作便利性等方面相当，但改进型空气循环制冷工艺之综合能效明显优于传统氮气循环制冷工艺——几套高氮氧比液体空分装置详细模拟结果表明，改进型空气循环双膨胀制冷流程能效高出约2%～3%。基于目前市场上高氮氧比大中型液体空分装置的实际状况，在液氮：液氧≥1.2的情况下，推荐采用此种改进型空气循环双膨胀制冷流程。
［关键词］液体空分装置；氮气增压膨胀制冷工艺；常规空气循环双膨胀制冷工艺；改进型空气循环双膨胀制冷工艺；模拟计算；对比分析；节能增效
［中图分类号］TB657.7 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2023）03-0001-04
0 引 言
空气分离产品广泛应用于化工、冶金、航天、医疗、新能源等工业领域，随着全球工业化进程的推进，对空分装置产品的需求也在持续增长——液氧、液氮、液氩等低温液体产品具有运输方便、易于贮存、汽化迅速等优势，市场需求日益旺盛。液体空分装置可以直接生产氧、氮、氩的液相和气相产品，通常以生产液体产品为主，不生产或生产少量气体产品。空气经压缩、净化、冷却、液化并分离成液体产品，需要补充大量的冷量，通常可利用低温冰机制冷、空气或氮气增压膨胀制冷。液体空分装置工艺流程设计时，需根据产品产能、产品结构的不同，有针对性地选择合适的制冷循环工艺。
典型的液体空分装置有空气直接膨胀制冷、中压循环单膨胀制冷、带低温冰机的中压循环单膨胀制冷、中压循环双膨胀制冷四种工艺流程；对于产能大于100 t/d的大中型液体空分装置，通常选用中压循环双膨胀制冷工艺流程［1］。而中压循环双膨胀制冷工艺流程又分为空气循环与氮气循环两种工艺路线，有研究表明，通常在产品液氮：液氧＜1时，采用空气循环制冷工艺流程，单位液体产品能耗较低；产品液氮：液氧＞1时，亦即所谓的高氮氧比液体空分装置，空气循环制冷工艺流程的单位液体产品能耗比氮气循环制冷工艺流程高，此时采用空气循环制冷工艺流程没有优势；当产品液氮：液氧≥2时，空气循环制冷工艺之工况会急剧恶化［2］。因此，现阶段市场上产能大于100 t/d的高氮氧比液体空分装置均采用中压氮气双增压膨胀循环制冷工艺。目前，市场上有很多产能大于100 t/d的液体空分装置，而杭州中泰深冷技术股份有限公司成套设计、制造、供货的液体空分装置最大产能已达到约700 t/d。
针对某高氮氧比液体空分装置，笔者分别对采用改进型空气循环制冷工艺和采用传统氮气循环制冷工艺（两者均为中压循环双膨胀制冷工艺流程）进行模拟计算等，对两者进行详细的比对分析，发现两者在设备投资成本、操作便利性等方面相当，但改进型空气循环制冷工艺之综合能效明显优于传统氮气循环制冷工艺，故推荐类似液体空分装置采用改进型空气循环制冷工艺路线。以下对有关情况作一介绍。
1 液体空分装置工艺路线简介
1.1 氮气循环双膨胀制冷工艺流程
高氮氧比液体空分装置氮气循环通常均采用“喂气机+循环氮气压缩机”形成的双增压膨胀制冷循环，喂气机处理气量通常接近装置的液氮产品产量。
空气经自洁式空气过滤器滤去机械杂质后进入原料空气压缩机，压缩后的空气进入预冷系统；预冷系统采用常规氮水预冷工艺——压缩后的工艺空气进入空气冷却塔，在其中被水冷却与洗涤，空气冷却塔冷却介质采用循环冷却水和经水冷塔冷却过的低温水；经预冷系统冷却后的工艺空气进入纯化系统，由吸附器去除工艺空气中的水分、二氧化碳及部分碳氢化合物等杂质。纯化系统净化后的工艺空气进入冷箱内的主换热器，被返流出来的气体冷却至接近露点后，进入主精馏塔下塔底部进行第一次精馏。在主精馏塔下塔中，上升气体与下流液体充分接触进行传质传热，下塔顶部得到的纯氮气进入主冷凝蒸发器被冷凝，气氮冷凝的同时主冷凝蒸发器中的液氧得以汽化，冷凝得到的液氮一部分作为下塔的回流液参与下塔精馏，其余经过冷器过冷并由节流阀节流后，部分抽至塔外作为产品，其余部分送入上塔顶部，同时从下塔顶部抽取一股压力氮气，少量压力氮气去高纯氧塔蒸发器作为热源，其余压力氮气经主换热器复热后送至循环氮气压缩机入口；下塔底部得到的富氧液空经过冷器过冷后送入精氩塔蒸发器，进一步过冷后分为三路，一路节流后作为冷源送入粗氩冷凝器蒸发后送入主精馏塔上塔中部参与精馏，另一路节流后作为冷源送入纯氩冷凝器蒸发后与粗氩冷凝器蒸发液空合并后去上塔，剩余富氧液空节流后进入上塔参与精馏；在上塔中，经过再次精馏，其底部得到的产品液氧经过冷器过冷后送入液氧贮槽，在其顶部得到纯氮气，在其上部得到污氮气，纯氮气和污氮气分别先后经过冷器和主换热器复热后送出冷箱。
送出冷箱的污氮气除用于纯化系统再生、冷吹外，其余全部送入水冷塔。送出冷箱的低压氮气除抽取一部分作为产品低压氮气送入用户管网外，其余低压氮气去氮气喂气机吸入口，经喂气机提压至约0.42 MPa后，与来自下塔的复热压力氮气、膨胀后的循环氮气汇合，经循环氮气压缩机进一步提压后分为两股：一股直接进入主换热器冷却至一定温度后出主换热器，然后进入热端膨胀机膨胀制冷，膨胀后的氮气经主换热器复热后返回循环氮气压缩机入口；另一股压缩氮气先后经热端膨胀机和冷端膨胀机之增压端增压、冷却，然后进入主换热器冷却至适当温度，抽取大部分高压氮气去冷端膨胀机膨胀制冷，膨胀后的氮气返回主换热器冷端，经主换热器复热后返回循环氮气压缩机入口，其余的高压氮气继续在主换热器中冷却，之后由冷端抽出并节流后进入下塔参与精馏。
更多内容详见《中氮肥》2023年第3期