空分装置氮自增压流程浅析
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摘 要：深冷空气分离装置使用氮自增压流程可满足一定范围内高于下塔压力的氮气产品需要，此流程利用了液化下塔氮气后通过液柱高度增压的方法。对具体参数的分析及模拟计算确定该流程自增压氮气的压力和流量使用范围。
关键词：空气分离;氮气;氮自增压;氮液化器;换热温差
中图分类号：TQ116 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00
0引言
近年来，随着工业气体领域的飞速发展，各类工业气体的应用不断朝着精细、高效、节能和环保的方向进步。氮气，作为工业气体中重要的一类，有着极其广泛的应用。它不仅是氨、硝酸、化肥等化工产品的生产原料，而且还是很好的惰性保护介质，同时，可作为高效安全的制冷剂、冷却剂在速冻食品、低温粉碎等场所制备低温环境，高纯氮气可用在电子工业中的外延、扩散、化学气相淀积、离子注入、等离子干刻、光刻等方面，工业分析中还用作标准气、校正气、零点气等。氮气的纯度、压力、温度在不同的使用场合有不尽相同的规格需求，往往，同一套制气装置需要提供多种不同规格的氮气产品，如何能以最优方案来保证稳定、低耗的生产不仅是气体生产企业，也是气体装置设计、制作单位一直在努力的方向，深冷空气分离装置（后简称空分装置）作为使用最为常用的氧、氮、氩等工业气体的制气装置更是如此。本文针对一种压力规格的氮气产品需求提供一种空分装置的工艺流程组织方法，根据具体的设计思路，以专业计算软件模拟论证、分析，对这种组织方法的各方面优缺点进行比较和讨论。以期为该类压力规格氮气的空分装置工艺流程设计提供参考。
1概述
常规空分装置中，由冷箱内生产出来的氮气产品的压力规格主要有两种：一种是由上塔顶部抽出，复热后出冷箱的10KPa左右的氮气产品;另一种是由下塔顶部抽出，复热后出冷箱的400KPa左右的氮气产品。（具体对于不同大气环境压力以及主冷凝蒸发器的设计温差不同等因素，这两种出冷箱氮气压力略有不同，其空分原理篇幅原因，这里不做赘述）。这两种规格氮气压力是由分馏塔自身所需工作压力来确定的，不需要额外的增压设备做功，而如果需要更高压力的氮气产品，则需要配置氮气压缩机增压或是配置液氮泵对液氮加压后再汽化、复热。本文所讨论的是不同于以上两种方法的提高氮气产品压力的流程组织方法——氮自增压流程。同氧自增压流程一样，氮自增压流程原理也是利用低温液体在冷箱中具有一定的高度上的设备或管道内产生的静液柱压差从而提高汽化器液面侧压力的一种增压方法。
常规空分流程中，较高压力的氮气或者液氮是在下塔顶部产生的，受到下塔高度的限制，这个部位在冷箱中相对位置较低，与汽化、复热设备主换热器的高差非常有限，因此无法利用此位置的液位高差提升较高的压力。如果需要得到更高位置上的液氮，可以通过将下塔具有一定压力的氮气抽至所需高度后液化来实现，液化所需要的冷量可以利用下塔具有一定压力的液氮或液空节流爬升至此高度后的低压液体来提供，再利用液氮的液柱高度产生的压差，最终得到提高压力的液氮或在此压力下汽化复热的氮气产品，这也正是氮自增压流程的主要设计思路。
2流程特点
从氮自增压流程的设计思路来看，这种流程同氮气压缩机加压或液氮泵加压汽化的流程相比较，减少了氮气压缩机或液氮泵，增加了氮液化换热器，这样的改变优势非常明显。首先，无论是压缩机还是液氮泵，都是动设备，设备自身需要驱动系统、油润滑系统、水冷却系统、密封气系统等，使用和维护都很复杂;其次，动设备是需要定期进行检修维护的，连续运转时间超过规定很容易造成磨损发生事故;而且比起同样规模的换热器，这样的动设备的成本也要高很多。这样看来，氮自增压流程不用压缩机或液氮泵这样的动设备，而只使用一台氮液化换热器这样的静设备，稳定性、连续性、经济性都有优势。
从能耗上来看，由于氮自增压流程和液氮泵加压流程都抽取了一些下塔氮，从而减少了上塔的回流液，对上塔的氧提取率会有一些影响，但是在下塔总抽氮量满足上塔正常精馏工况条件下，这一影响产生的气量功耗远远小于氮气压缩机的输入功，对于下塔抽氮量对精馏的影响这里不再详细做介绍。
从产品规格的适用性开看，通过氮自增压流程生产的氮气受自身设计原理的限制，产品压力和流量都有一定的适用范围，下面就这两个方面进行详细分析：
（1） 适用压力。从此种流程的特点上来看，决定自增压产品氮最大所能达到的压力主要有两个因素：一是下塔氮气的压力，在常规流程里面，这个值可以根据设计条件参数来确定;二是作为冷源的下塔液体所能爬升到冷箱内的高度。
这里我们以一套标准大气压下规模为20000Nm？/h氧气的常规空分的设备性能参数作为输入条件进行具体分析，空分的产品性能见表1，冷箱系统流程简图见图1。表1中氮气Ⅱ为通过自增压方法提高压力后的产品。
用软件模拟下塔液氮的爬升过程，模型见图2所示，该管线的水力学计算过程汇总如下：
1）下塔液氮出口压力为下塔顶部压力，此套装置正常为450KPa，考虑纯化系统切换波动以及低负荷运行的压降一般不大于20KPa，这里取430KPa，高度15.6m（距离冷箱基础平面）。
2）管程1管道规格为Φ210×5铝管，长度为20m，高差为-11.2m（负值为向下），压降为-78KPa（负值为增大）。
3）过冷器阻力为10KPa，出口温度为79K（正常为82K，由于考慮到如果遇到停车下塔失压情况，温度更低，重新加压后过冷度更大，爬升高度更低，因此以此极限状况计算）。
4）调节阀压差50KPa。
5）管程2管道规格为Φ46×3铝管，根据前后压差模拟计算长度为80m，高差为52m，压降为423KPa。 6）氮液化器入口压力为35KPa（满足汽化后排放），根据前面的结果计算高度为56m。
从模拟结果来看，液氮最大可提升高度为56m，主换热器热端面（顶部）高度为8m，自增压液氮液柱高差可到48m，通过模拟计算，自增压氮气产品出冷箱压力为710KPa。
同样过程我们模拟下塔液空作为冷源，通过计算，液空最大提升高度以及自增压氮气产品压力均低于液氮作冷源的計算结果，由于与液氮作冷源计算类似，过程这里不再描述。
（2）适应产量。通过液氮自增压的方式来生产氮气，所需要的汽化方式也与氧自增压有所不同，氧自增压后，由于液氧中含有微量碳氢化合物的原因，为防止碳氢化合物在汽化过程中聚集而发生危险，液氧自增压需要单独设置全浸式换热器作为汽化设备，然而氮自增压的汽化设备则可以直接利用空分设备固有的主换热器中的换热通道来进行汽化以及复热。
目前，常规大、中型空分设备中主换热器所采用的是板翅式换热器，根据板翅式换热器的换热特点，需要汽化的自增压液氮的量较大时，汽化所需热量大部分需要由热流空气冷凝所释放的潜热来提供，因此自增压液氮的压力需要与换热器中热流空气的压力相匹配，或者说该压力下液氮的汽化温度与热流空气的泡点温度满足板翅式换热器局部最小温差（根据目前国内的设计制造水平，这个温度设计上一般不小于1.2℃），如果热流空气压力不够，液氮汽化所吸收的热量大部分会是热流空气的显热，这样会导致换热器温差变大，冷损严重，从而给装置带来冷量不足，精馏效率低等一系列问题。常规空分进主换热器空气压力为470KPa，通过软件计算，与之匹配的液氮压力为580KPa。
需要汽化的自增压液氮量较小时，少量的液氮汽化所需热量可以利用热流空气的显热，在与常规相同的积分温差的板翅式换热器，可满足局部最小温差不小于1.2℃的条件，此时自增压液氮压力与空气压力无匹配要求。在相同积分温差与最小问题条件下，所能汽化液氮的量与板翅式换热器的总换热负荷有关。这里以氧气产量分别为10000Nm？/h、20000Nm？/h、30000Nm？/h、40000Nm？/h四套装置在主换热器的积分温差为3.5℃，最小温差为1.2℃的条件下所能汽化生产压力为700KPa自增压氮气的最大量为例来计算说明，四套装置产品纯度、各产品产量的比例以及所用流程组织与前文10000Nm？/h氧气的常规空分算例相同。通过软件模拟计算，结果见表2。
从表2的结果来看，也可说明了空分产品规模越大，主换热器热负荷越大，自增压氮气汽化能力也越大。
3项目案列
某合成氨、化肥生产单位配套制氧量40000Nm？/h 的空分装置，需要提供1500 Nm？/h，压力为700KPa液氮产品，该装置使用液氮自增压的流程，通过冷箱顶部设置的换热器液化下塔来压力氮气，液化后的液氮通过液柱高差增压后送去使用点。该项目各项产品指标验收合格。需要注意的是，在生产中遇到液氮产品超负荷使用时，液氮产品的压力有所降低，液氮中的气化率也有所增加。从这个项目的投运情况说明液氮自增压的设计思路在实际生产中能够达到设计的要求，但是从现场反映的问题分析，能判断得出由于超负荷产生导致氮液化换热器中氮气没有全部冷凝。
4结语
（1）有较高压力氮产品需求的空分装置，氮自增压流程较氮压机和液氮泵流程，有稳定性、连续性、经济性以及能耗方面都有优势。
（2）氮自增压流程中自增压氮的有其压力适用范围，常规空分装置最高适用压力在700KPa左右。
（3）氮自增压流程中自增压氮气高于一定压力时（常规空分装置约为580KPa），受主换热器换热温差的限制，适用流量较小，次流量可根据主换热器满足局部最小温差条件下的液氮汽化能力来确定。
（4）氮自增压流程设计中，包括氮液化器在内的各设备的设计能力需和产品生产需求相匹配才能达到预期效果。
收稿日期：2019-11-01
作者简介：谭思伟（1970—），男，广东廉江人，研究生，工程师，研究方向：化工工艺。
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