1.概述
随着我国经济的迅猛发展,特别是煤化工、石油化工和大化肥等行业的迅速崛起,对空分装置特别是“40000”以上的大型空分装置的需求越来越多,而且这些大型装置绝大部分对氧氮产品的压力要求很高,目前基本上有40bar、61bar、86bar等几个等级,这种产品压力的获取绝大部分是通过低温液体泵加压工艺实现的,即通常所说的内压缩空分工艺流程。而对于内压缩空分工艺流程来讲,无论是高压液氧或者是高压液氮都需要一股相对应压力和流量的热流体来汽化并加热液氧或液氮。这股热流体有两种选择:一种是高压空气,另一种是高压氮气。相对应的空分工艺流程来说就有了空气增压型流程和氮气增压型流程。由于空气和氮气在沸点、潜热、临界点等物理性质有所差异,所以两种流程在流程组织、产品提取率、增压气量、换热器热负荷、设备投资以及综合能耗指标也有所不同。本文就以上几点通过流程模拟计算进行了比较,供同仁参考。
2.流程组织
2.1空气增压流程
参阅附图1空气增压型内压缩空分工艺流程简图。
原料空气经过自洁式空气过滤器除去灰尘和其它机械杂质后进入原料空压机。被压缩、冷却后的空气经过空冷塔的冷却后,进入分子筛纯化系统除去空气中的水分、二氧化碳、部分烃类物质等影响空分装置正常运行的有害物质。出吸附器净化后的空气分为两部分,一部分通过低压主换热器被返流气体冷却到饱和状态进入下塔;另一部分通过空气增压机进一步压缩。压缩后分为两股,一股从增压机中间级抽出,称作中抽气,中抽气经过膨胀机增压端的增压及后冷却器的冷却后,再进入高压主换热器中,在高压主换热器中部抽出经膨胀机膨胀端膨胀并制冷后进入下塔;另一股空气则从增压机末端排出进入高压主换热器被返流的高压液氧、液氮等冷流体冷却成为液体后节流进入下塔中下部。
经过下塔的精馏,在下塔顶部获得的高纯度氮气分为两部分:一小部分作为压力氮气抽出进入主换热器,经主换热器复热至常温后作为压力氮气产品送出冷箱;大部分氮气在主冷中吸收液氧释放出来的冷量被液化为液氮,同时主冷低压侧的液氧被汽化。被液化的液氮分为三部分:一部分回流到下塔作为下塔回流液;另一部分液氮则经过过冷器被上塔抽出的氮气和污氮气冷却后进入上塔的顶部参加精馏;第三部分液氮则进入液氮泵加压,加压后的高压液氮进入高压主换热器,经高压主换热器复热到常温后作为高压氮气产品送出。在下塔的底部和中下部分别获得富氧液空和贫液空,两股液空经过冷器过冷后分别进入粗氩塔和上塔。
通过上塔的精馏,在上塔的顶部获得低压纯氮气,在上塔的中上部获得污氮气,低压氮气和污氮气经过冷器和主换热器复热后出冷箱。一部分污氮气作为分子筛的再生用气,其余污氮和多余的氮气一起进入水冷却塔。在上塔的底部获得液氧直接进入主冷,液氧从主冷抽出经液氧泵加压后进入高压主换热器,在高压主换热器中液氧与来自增压机的高压空气换热,从而在冷箱的出口得到相应压力的氧气产品。
从上塔的中下部抽出氩馏份气进入粗氩塔,经粗氩塔的精馏可获得含氧量
小于2×10-6的工艺氩产品。工艺氩在精氩塔的中部进入,经精氩塔的精馏,在精氩塔的底部可获得含氮量小于3×10-6的液氩产品。
附图1空气增压型内压缩空分工艺流程简图
AF:空气过滤器;TC:原料空压机;AC:空冷塔;Ru:冷水机组;WC:水冷塔;WP:冷却水泵;MS:分子筛吸附器;EH:电加热器;B:增压机;ET:膨胀机;WE:水冷却器;E1:主换热器;E2:过冷器;C1:下塔;C2:上塔;K:主冷;C3/5:粗氩塔;C4:精氩塔;OP:液氧泵;NP:液氮泵;AP:液氩泵
2.2 氮气增压流程
参阅附图2氮气增压型内压缩空分工艺流程简图。
原料空气经过自洁式空气过滤器除去灰尘和其它机械杂质后进入原料空压机。被压缩、冷却后的空气经过空冷塔的冷却后,进入分子筛纯化系统除去空气中的水分、二氧化碳、部分烃类物质等影响空分装置正常运行的有害物质。出吸附器净化后的空气直接进入低压主换热器被返流气体冷却到饱和状态进入下塔。
经过下塔的精馏,在下塔顶部获得的高纯度氮气分为三部分:一小部分作为压力氮气抽出进入主换热器,经主换热器复热至常温后作为压力氮气产品送出冷箱;另一部分氮气与膨胀后的氮气一起进入主换热器复热,复热到常温后的氮气进入循环氮气增压机;第三部分氮气在主冷中吸收液氧释放的冷量被液化得到液氮,同时主冷低压侧的液氧被汽化。被液化的液氮分为二部分:一部分回流到下塔作为下塔回流液;另一部分液氮则经过过冷器被上塔抽出的氮气和污氮气冷却后进入上塔的顶部参加精馏。在下塔的底部获得富氧液空,液空经过冷器过冷后分别进入粗氩塔和上塔。
经氮气循环增压机进一步压缩后的氮气分成三股从氮压机抽出:一股氮气从中间级抽出进入主换热器,这股氮气被冷却到一定的温度后从主换热器的中部抽出进入增压膨胀机的膨胀端,膨胀并制冷后的氮气与下塔抽出的氮气一起进主换热器,经主换热器复热后送出冷箱。出冷箱的这部分氮气进入氮气增压机加压,完成氮气循环;另一股氮气从循环氮压机相对应压力等级的中间级抽出,直接作为中压氮气产品送出;第三股氮气从增压机末端排出的氮气经冷却器冷却后进入高压主换热器被返流的高压液氧等冷流体冷却成为液体后节流进入下塔顶部。
通过上塔的精馏,在上塔的顶部获得低压纯氮气,在上塔的中上部获得污氮气,低压氮气和污氮气经过冷器和主换热器复热后出冷箱。一部分污氮气作为分子筛的再生用气,其余污氮和多余的氮气一起进入水冷却塔。在上塔的底部获得液氧直接进入主冷,液氧从主冷抽出经液氧泵加压后进入高压主换热器,在高压主换热器中液氧与来自增压机的高压氮气换热,从而在冷箱的出口得到相应压力的氧气产品。
从上塔的中下部抽出氩馏份气进入粗氩塔,经粗氩塔的精馏可获得含氧量小于2×10-6的工艺氩产品。工艺氩在精氩塔的中部进入,经精氩塔的精馏,在精氩塔的底部可获得含氮量小于3×10-6的液氩产品。
附图2氮气增压型内压缩空分工艺流程简图
AF:空气过滤器;TC:原料空压机;AC:空冷塔;Ru:冷水机组;WC:水冷塔;WP:冷却水泵;MS:分子筛吸附器;EH:电加热器;B:增压机;ET:膨胀机;WE:水冷却器;E1:主换热器;E2:过冷器;C1:下塔;C2:上塔;K:主冷;C3/5:粗氩塔;C4:精氩塔;OP:液氧泵;AP:液氩泵
3.两种流程的比较
3.1 比较的基础
对比两个流程的不同点时所建立统一的比较基础如下:
3.1.1相同的产品指标(详见表1)
表1:产品性能指标:
产品名称 |
产量(Nm3/h) |
纯度(vol) |
压力MPa (G) |
温度 |
氧 气 |
42000 |
≥99.6%O2 |
8.6 |
常温 |
氮气Ⅰ |
35000 |
≤10ppmO2 |
6.1 |
常温 |
氮气Ⅱ |
13000 |
≤10ppmO2 |
0.45 |
常温 |
氮气Ⅲ |
10000 |
≤10ppmO2 |
常压 |
常温 |
压缩空气 |
1500 |
常压露点≤-40 ℃ |
0.5 |
分子筛后 |
液 氧 |
500 |
≥99.6%O2 |
可进贮槽 |
饱和 |
液 氮 |
300 |
≤10ppmO2 |
可进贮槽 |
饱和 |
液 氩 |
1400 |
≤2ppmO2
≤3ppmN2 |
可进贮槽 |
饱和 |
3.1.2相同的主换热器温差
各主换热器的传热温差基本一致:热端温差为3k;换热器最小温差:高压换热器1.94k;低压换热器2.95k;对数平均温差:高压换热器5.46k,低压换热器3.77k。
3.1.3相同的冷量损失
流程计算中所取冷损均按照下列公式计算:
Q=21.5*V0.671
式中:Q为冷量损失,kcal/h;V为加工空气流量,Nm3/h。
3.1.4相同的主冷温差
主冷传热温差均按照1.6K选取。
3.1.5压缩机相同的效率
轴功率计算时,压缩机等温效率及机械效率取值相同。
3.1.6相同的流程形式
除选取增压介质不同外,流程的其他组织形式相同。
3.2 两种流程的比较
3.2.1各技术参数的比较(见下表)
表2:各项性能指标的比较:
流程种类 |
空气增压流程 |
氮气增压流程 |
参
数
比
较 |
加工空气量(Nm3/h) |
230000 |
210000 |
加工空气压力MPa (G) |
0.51 |
0.51 |
原料空压机轴功率(kw) |
18650 |
17030 |
增压机增压气体 |
空气 |
氮气 |
增压机气量(Nm3/h) |
163000 |
176000 |
增压机中抽膨胀气量(Nm3/h) |
50000 |
22000 |
增压机中抽膨胀气压力MPa (G) |
2.8 |
2.8 |
增压机末端气量(Nm3/h) |
113000 |
119000 |
增压机末端压力MPa (G) |
7.1 |
7.1 |
增压机中抽产品气量(Nm3/h) |
无 |
35000 |
增压机中抽产品气压力MPa (G) |
无 |
6.1 |
增压机轴功率(kw) |
17560 |
20865 |
分子筛再生加热器功率(kw) |
2870 |
2640 |
液氮泵轴功率(kw) |
95 |
0 |
高压主换热器热负荷(kw) |
17389 |
13968 |
低压主换热器热负荷(kw) |
4692 |
14688 |
主冷热负荷(kw) |
8326 |
7845 |
氧气产品提取率 |
88.6% |
96.8% |
氩产品提取率 |
65.7% |
72.1% |
能耗总计(kw) |
39175 |
40535 |
3.2.2主要设备配置比较
空气增压流程与氮气增压流程相比较而言,主要设备配置有以下区别:
3.2.2.1空压机:空气增压流程的加工空压机气量要比氮气增压流程加工空气量增加约9.52%,相应的能耗也要同比例增加。
3.2.2.2分子筛吸附系统:空气增压流程由于加工空气量的增加,也就导致了分子筛充填量的增加,相应的分子筛吸附器也就会加大,用于再生的电加热器功率也要增加。
3.2.2.3液氮泵:由于氮气增压流程中的中压氮气是直接从氮气增压机中抽出的,所以氮气增压流程中就减少了两台液氮泵,相应的就省去了液氮泵的电能消耗和液氮泵的设备投资。
3.2.2.4主换热器:对于高压主换热器的热负荷来说,氮气增压流程低与空气增压流程约20%,而对于低压主换热器来说,氮气增压流程要高于空气增压流程约216%,
3.2.2.5下塔:就下塔上升蒸汽负荷而言,氮气增压工艺流程比空气增压工艺流程大约45%,相对应下塔直径来说增加约20%。
4 结论
通过以上比较给出以下结论:
4.1产品提取率:空气增压流程氧产品及氩产品提取率相对较低,加工空气量较大:空气增压流程中,由于大量液空直接进入下塔的缘故,使得下塔的精馏工况受到很大影响,下塔抽出液氮量减少,下塔底部液空纯度降低;而对于氮气增压流程来说,进入下塔的是液氮,对下塔的精馏是有利的。
4.2增压机功率:对于氮气增压流程来讲,由于氮气在相同压力等级下的饱和温度要比空气低,作为热源气体来说,在复热同样的介质时,当温差一致的情况下,氮气需要的压力会更高,而当压力相同时,氮气就会需要更多的流量。这就是氮气增压流程增压机功率比较大的主要原因。
4.3 设备投资:氮气增压流程要稍高于空气增压流程。
4.4 综合指标:就“42000”空分装置而言,空气增压流程的综合能耗要比氮气增压流程的综合能耗低1360kw,单位氧耗低 0.032kwh/Nm3O2。如果电价按照0.60元/kw·h计算的话,每立方氧气低0.019元。