兩種典型內(nèi)壓縮流程的比較

兩種典型內(nèi)壓縮流程的比較概述隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，特別是煤化工、石油化工和大化肥等行業(yè)的迅速崛起，對(duì)空分裝置特別是“40000以上的大型空分裝置的需求越來越多，而且這些大型裝置絕大部分對(duì)氧氮產(chǎn)品的壓力要求很高，目前基本上有40bar、61bar、86bar等幾個(gè)等級(jí)，這種產(chǎn)品壓力的獲取絕大部分是通過低溫液體泵加壓工藝實(shí)現(xiàn)的，即通常所說的內(nèi)壓縮空分工藝流程。而對(duì)于內(nèi)壓縮空分工藝流程來講，無論是高壓液氧或者是高壓液氮都需要一股相對(duì)應(yīng)壓力和流量的熱流體來汽化并加熱液氧或液氮。這股熱流體有兩種選擇：一種是高壓空氣，另一種是高壓氮?dú)?。相?duì)應(yīng)的空分工藝流程來說就有了空氣增壓型流程和氮?dú)庠鰤盒土鞒?。由于空氣和氮?dú)庠诜悬c(diǎn)、潛熱、臨界點(diǎn)等物理性質(zhì)有所差異，所以兩種流程在流程組織、產(chǎn)品提取率、增壓氣量、換熱器熱負(fù)荷、設(shè)備投資以及綜合能耗指標(biāo)也有所不同。本文就以上幾點(diǎn)通過流程模擬計(jì)算進(jìn)行了比較，供同仁參考。流程組織2.1空氣增壓流程參閱附圖1空氣增壓型內(nèi)壓縮空分工藝流程簡(jiǎn)圖。原料空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器除去灰塵和其它機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入原料空壓機(jī)。被壓縮、冷卻后的空氣經(jīng)過空冷塔的冷卻后，進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)除去空氣中的水分、二氧化碳、部分烴類物質(zhì)等影響空分裝置正常運(yùn)行的有害物質(zhì)。出吸附器凈化后的空氣分為兩部分，一部分通過低壓主換熱器被返流氣體冷卻到飽和狀態(tài)進(jìn)入下塔;另一部分通過空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮。壓縮后分為兩股，一股從增壓機(jī)中間級(jí)抽出，稱作中抽氣，中抽氣經(jīng)過膨脹機(jī)增壓端的增壓及后冷卻器的冷卻后，再進(jìn)入高壓主換熱器中，在高壓主換熱器中部抽出經(jīng)膨脹機(jī)膨脹端膨脹并制冷后進(jìn)入下塔;另一股空氣則從增壓機(jī)末端排出進(jìn)入高壓主換熱器被返流的高壓液氧、液氮等冷流體冷卻成為液體后節(jié)流進(jìn)入下塔中下部。經(jīng)過下塔的精餾，在下塔頂部獲得的高純度氮?dú)夥譃閮刹糠郑阂恍〔糠肿鳛閴毫Φ獨(dú)獬槌鲞M(jìn)入主換熱器，經(jīng)主換熱器復(fù)熱至常溫后作為壓力氮?dú)猱a(chǎn)品送出冷箱；大部分氮?dú)庠谥骼渲形找貉踽尫懦鰜淼睦淞勘灰夯癁橐旱?，同時(shí)主冷低壓側(cè)的液氧被汽化。被液化的液氮分為三部分：一部分回流到下塔作為下塔回流液；另一部分液氮?jiǎng)t經(jīng)過過冷器被上塔抽出的氮?dú)夂臀鄣獨(dú)饫鋮s后進(jìn)入上塔的頂部參加精餾；第三部分液氮?jiǎng)t進(jìn)入液氮泵加壓，加壓后的高壓液氮進(jìn)入高壓主換熱器，經(jīng)高壓主換熱器復(fù)熱到常溫后作為高壓氮?dú)猱a(chǎn)品送出。在下塔的底部和中下部分別獲得富氧液空和貧液空，兩股液空經(jīng)過冷器過冷后分別進(jìn)入粗氬塔和上塔。通過上塔的精餾，在上塔的頂部獲得低壓純氮?dú)?，在上塔的中上部獲得污氮?dú)?，低壓氮?dú)夂臀鄣獨(dú)饨?jīng)過冷器和主換熱器復(fù)熱后出冷箱。一部分污氮?dú)庾鳛榉肿雍Y的再生用氣，其余污氮和多余的氮?dú)庖黄疬M(jìn)入水冷卻塔。在上塔的底部獲得液氧直接進(jìn)入主冷，液氧從主冷抽出經(jīng)液氧泵加壓后進(jìn)入高壓主換熱器，在高壓主換熱器中液氧與來自增壓機(jī)的高壓空氣換熱，從而在冷箱的出口得到相應(yīng)壓力的氧氣產(chǎn)品。從上塔的中下部抽出氬餾份氣進(jìn)入粗氬塔，經(jīng)粗氬塔的精餾可獲得含氧量小于2x10-6的工藝氬產(chǎn)品。工藝氬在精氬塔的中部進(jìn)入，經(jīng)精氬塔的精餾，在精氬塔的底部可獲得含氮量小于3x10-6的液氬產(chǎn)品。附圖1空氣增壓型內(nèi)壓縮空分工藝流程簡(jiǎn)圖AF:空氣過濾器；TC：原料空壓機(jī)；AC:空冷塔；Ru:冷水機(jī)組；WC:水冷塔；WP：冷卻水泵；MS：分子篩吸附器；EH：電加熱器；B：增壓機(jī)；ET:膨脹機(jī)；WE:水冷卻器；E1：主換熱器；E2:過冷器；C1:下塔；C2:上塔；K:主冷；C3/5:粗氬塔；C4:精氬塔；OP:液氧泵；NP:液氮泵；AP:液氬泵2.2氮?dú)庠鰤毫鞒虆㈤喐綀D2氮?dú)庠鰤盒蛢?nèi)壓縮空分工藝流程簡(jiǎn)圖。原料空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器除去灰塵和其它機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入原料空壓機(jī)。被壓縮、冷卻后的空氣經(jīng)過空冷塔的冷卻后，進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)除去空氣中的水分、二氧化碳、部分烴類物質(zhì)等影響空分裝置正常運(yùn)行的有害物質(zhì)。出吸附器凈化后的空氣直接進(jìn)入低壓主換熱器被返流氣體冷卻到飽和狀態(tài)進(jìn)入下塔。經(jīng)過下塔的精餾，在下塔頂部獲得的高純度氮?dú)夥譃槿糠郑阂恍〔糠肿鳛閴毫Φ獨(dú)獬槌鲞M(jìn)入主換熱器，經(jīng)主換熱器復(fù)熱至常溫后作為壓力氮?dú)猱a(chǎn)品送出冷箱；另一部分氮?dú)馀c膨脹后的氮?dú)庖黄疬M(jìn)入主換熱器復(fù)熱，復(fù)熱到常溫后的氮?dú)膺M(jìn)入循環(huán)氮?dú)庠鰤簷C(jī)；第三部分氮?dú)庠谥骼渲形找貉踽尫诺睦淞勘灰夯玫揭旱?，同時(shí)主冷低壓側(cè)的液氧被汽化。被液化的液氮分為二部分：一部分回流到下塔作為下塔回流液；另一部分液氮?jiǎng)t經(jīng)過過冷器被上塔抽出的氮?dú)夂臀鄣獨(dú)饫鋮s后進(jìn)入上塔的頂部參加精餾。在下塔的底部獲得富氧液空，液空經(jīng)過冷器過冷后分別進(jìn)入粗氬塔和上塔。經(jīng)氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮后的氮?dú)夥殖扇蓮牡獕簷C(jī)抽出：一股氮?dú)鈴闹虚g級(jí)抽出進(jìn)入主換熱器，這股氮?dú)獗焕鋮s到一定的溫度后從主換熱器的中部抽出進(jìn)入增壓膨脹機(jī)的膨脹端，膨脹并制冷后的氮?dú)馀c下塔抽出的氮?dú)庖黄疬M(jìn)主換熱器，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后送出冷箱。出冷箱的這部分氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)庠鰤簷C(jī)加壓，完成氮?dú)庋h(huán)；另一股氮?dú)鈴难h(huán)氮壓機(jī)相對(duì)應(yīng)壓力等級(jí)的中間級(jí)抽出，直接作為中壓氮?dú)猱a(chǎn)品送出；第三股氮?dú)鈴脑鰤簷C(jī)末端排出的氮?dú)饨?jīng)冷卻器冷卻后進(jìn)入高壓主換熱器被返流的高壓液氧等冷流體冷卻成為液體后節(jié)流進(jìn)入下塔頂部。通過上塔的精餾，在上塔的頂部獲得低壓純氮?dú)?，在上塔的中上部獲得污氮?dú)?，低壓氮?dú)夂臀鄣獨(dú)饨?jīng)過冷器和主換熱器復(fù)熱后出冷箱。一部分污氮?dú)庾鳛榉肿雍Y的再生用氣，其余污氮和多余的氮?dú)庖黄疬M(jìn)入水冷卻塔。在上塔的底部獲得液氧直接進(jìn)入主冷，液氧從主冷抽出經(jīng)液氧泵加壓后進(jìn)入高壓主換熱器，在高壓主換熱器中液氧與來自增壓機(jī)的高壓氮?dú)鈸Q熱，從而在冷箱的出口得到相應(yīng)壓力的氧氣產(chǎn)品。從上塔的中下部抽出氬餾份氣進(jìn)入粗氬塔，經(jīng)粗氬塔的精餾可獲得含氧量小于2x10-6的工藝氬產(chǎn)品。工藝氬在精氬塔的中部進(jìn)入，經(jīng)精氬塔的精餾，在精氬塔的底部可獲得含氮量小于3x10-6的液氬產(chǎn)品。附圖2氮?dú)庠鰤盒蛢?nèi)壓縮空分工藝流程簡(jiǎn)圖AF:空氣過濾器；TC：原料空壓機(jī)；AC:空冷塔；Ru:冷水機(jī)組；WC:水冷塔；WP：冷卻水泵；MS：分子篩吸附器；EH：電加熱器；B：增壓機(jī)；ET:膨脹機(jī)；WE:水冷卻器；E1：主換熱器；E2:過冷器；C1:下塔；C2:上塔；K:主冷；C3/5:粗氬塔；C4:精氬塔；OP:液氧泵；AP:液氬泵兩種流程的比較3.1比較的基礎(chǔ)對(duì)比兩個(gè)流程的不同點(diǎn)時(shí)所建立統(tǒng)一的比較基礎(chǔ)如下：3.1.1相同的產(chǎn)品指標(biāo)（詳見表1）表1：產(chǎn)品性能指標(biāo)：產(chǎn)品名稱產(chǎn)量(Nm3/h)純度(vol)壓力MPa(G)溫度氧氣42000>99.6%O28.6常溫氮?dú)釯35000<10ppmO26.1常溫氮?dú)釯I13000<10ppmO20.45常溫氮?dú)釯II10000<10ppmO2常壓常溫壓縮空氣1500常壓露點(diǎn)＜-40°C0.5分子篩后

液氧500>99.6%O2可進(jìn)貯槽飽和液氮300<10ppmO2可進(jìn)貯槽飽和液氬1400<2ppmO2<3ppmN2可進(jìn)貯槽飽和3.1.2相同的主換熱器溫差各主換熱器的傳熱溫差基本一致:熱端溫差為3k；換熱器最小溫差:高壓換熱器1.94k；低壓換熱器2.95k；對(duì)數(shù)平均溫差：高壓換熱器5.46k，低壓換熱器3.77k。3.1.3相同的冷量損失流程計(jì)算中所取冷損均按照下列公式計(jì)算：Q=21.5*V0.671式中:Q為冷量損失，kcal/h；V為加工空氣流量，Nm3/h。3.1.4相同的主冷溫差主冷傳熱溫差均按照1.6K選取。3.1.5壓縮機(jī)相同的效率軸功率計(jì)算時(shí)，壓縮機(jī)等溫效率及機(jī)械效率取值相同。3.1.6相同的流程形式除選取增壓介質(zhì)不同外，流程的其他組織形式相同。3.2兩種流程的比較3.2.1各技術(shù)參數(shù)的比較(見下表)表2：各項(xiàng)性能指標(biāo)的比較：流程種類空氣增壓流程氮?dú)庠鰤毫鞒碳庸た諝饬?Nm3/h)230000210000加工空氣壓力MPa(G)0.510.51原料空壓機(jī)軸功率(kw)1865017030增壓機(jī)增壓氣體空氣氮?dú)庠鰤簷C(jī)氣量(Nm3/h)163000176000增壓機(jī)中抽膨脹氣量(Nm3/h)5000022000參增壓機(jī)中抽膨脹氣壓力MPa(G)2.82.8增壓機(jī)末端氣量(Nm3/h)113000119000數(shù)增壓機(jī)末端壓力MPa(G)7.17.1比增壓機(jī)中抽產(chǎn)品氣量(Nm3/h)無35000增壓機(jī)中抽產(chǎn)品氣壓力MPa(G)無6.1增壓機(jī)軸功率(kw)1756020865較分子篩再生加熱器功率(kw)28702640液氮泵軸功率(kw)950高壓主換熱器熱負(fù)荷(kw)1738913968低壓主換熱器熱負(fù)荷(kw)469214688主冷熱負(fù)荷(kw)83267845氧氣產(chǎn)品提取率88.6%96.8%氬產(chǎn)品提取率65.7%72.1%能耗總計(jì)(kw)39175405353.2.2主要設(shè)備配置比較空氣增壓流程與氮?dú)庠鰤毫鞒滔啾容^而言，主要設(shè)備配置有以下區(qū)別：3.2.2.1空壓機(jī):空氣增壓流程的加工空壓機(jī)氣量要比氮?dú)庠鰤毫鞒碳庸た諝饬吭黾蛹s9.52%，相應(yīng)的能耗也要同比例增加。3.2.2.2分子篩吸附系統(tǒng)：空氣增壓流程由于加工空氣量的增加，也就導(dǎo)致了分子篩充填量的增加，相應(yīng)的分子篩吸附器也就會(huì)加大，用于再生的電加熱器功率也要增加。3.2.2.3液氮泵：由于氮?dú)庠鰤毫鞒讨械闹袎旱獨(dú)馐侵苯訌牡獨(dú)庠鰤簷C(jī)中抽出的，所以氮?dú)庠鰤毫鞒讨芯蜏p少了兩臺(tái)液氮泵，相應(yīng)的就省去了液氮泵的電能消耗和液氮泵的設(shè)備投資。3.2.2.4主換熱器：對(duì)于高壓主換熱器的熱負(fù)荷來說，氮?dú)庠鰤毫鞒痰团c空氣增壓流程約20%，而對(duì)于低壓主換熱器來說，氮?dú)庠鰤毫鞒桃哂诳諝庠鰤毫鞒碳s216%，3.2.2.5下塔：就下塔上升蒸汽負(fù)荷而言，氮?dú)庠鰤汗に嚵鞒瘫瓤諝庠鰤汗に嚵鞒檀蠹s45%，相對(duì)應(yīng)下塔直徑來說增加約20%。4結(jié)論通過以上比較給出以下結(jié)論：4.1產(chǎn)品提取率：空氣增壓流程氧產(chǎn)品及氬產(chǎn)品提取率相對(duì)較低，加工空氣量較大：空氣增壓流程中，由于大量液空直接進(jìn)入下塔的緣故，使得下塔的精餾工況受到很大影響，下塔抽出液氮量減少，下塔底部液空純度降低；而對(duì)于氮?dú)庠鰤毫鞒虂碚f，進(jìn)入下塔的是液氮，對(duì)下塔的精餾是有利的。4.2增壓機(jī)功率：對(duì)于氮?dú)庠鰤毫鞒虂碇v，由于氮?dú)庠谙嗤瑝毫Φ燃?jí)下的飽和溫度要比空