自增压流程空分设备的研究与应用.doc

自增压流程空分设备的研究与应用【摘要】介绍了液氧自增压流程的原理，分析了常规流程与自增压流程的不同特点，阐述了自增压流程的优势和适用场合，以及杭氧在自增压流程空分设备上的应用进展。关键词：空分设备，常规流程； 自增压流程；原理；特点；应用优势1 前言 在常规的分子筛净化、增压透平膨胀机制冷的空分流程中，从节约能耗考虑，上塔的操作压力要尽可能降低，由此使得上塔的氧氮分离效率更高，氧的提取率达到99以上。这种流程能耗指标较为先进，但是产品氧气出冷箱压力仅在015bar左右，一般不能直接用于后续生产需要，空分用户须用氧压机把氧气进一步升压至满足其生产工艺需要的压力。在常规流程的基础上，设置一台液氧蒸发器K2，使其蒸发压力提高，从而提高产品氧气压力。这种空分流程，我们称之为“液氧自增压”流程(见图1)。自增压流程空分设备的产品氧气压力在052bar之间，不需要另外用液氧泵或氧压机对 氧气升压，就可以直接满足特定用户对低压氧气的需求。 自增压流程与常规流程相比有许多优特点，对一些特定的用户具有较高的应用价值。以下就自增压流程的原理、特点和应用优势做一探讨。2 自增压流程原理 自增压流程的工作原理是利用主冷液氧液面与液氧蒸发器液面的落差H产生的液氧自重压力，克服蒸发器工作压力与上塔底部工作压力之间的压差。液氧利用自重流人压力高于上塔工作压力的液氧蒸发器中被空气加热后汽化，产品氧气出冷箱的压力达到052bar。 这种流程的关键在于液氧蒸发器能够持续地工作，有两个条件需要满足：一是要有一股空气能够持续对液氧进行加热并使之汽化，由于蒸发器中的液氧沸腾温度相对较高，而空气在与液氧换热的过程中需保持一定的温差，因此这股空气的压力必须提高，使得空气液化温度高于液氧沸腾温度，这样加热过程才能延续；二是要有持续的液氧流人蒸发器，在自增压流程中蒸发器的压力高于上塔底部的压力，上塔来的液氧只能利用自重流人工作压力较高的蒸发器中，因此要尽可能扩大两者之间的位差，保证液氧能够J顷利地流人蒸发器。因为上塔底部与蒸发器的位差AH是有限制的，因此自增压流程的氧气产品压力也是有限的，空压机出口压力的选择也必然受制于这个位差，否则会导致氧气产品压力下降或能耗增加。3 自增压流程的特点 杭氧集团公司提供安阳一飞利浦公司的一套 10000m3hO2自增压流程空分设备，已于2002年10 月在郑州经济开发区工厂投入运行。该设备的加工 空气由四台英格索兰透平压缩机联网提供，空压机 排气压力7bar，氧气产品设计压力15bar，提供给 安飞公司显像管玻壳生产线使用。目前设备运行状 态良好，各项性能指标均达到或超过设计值。液氩 产量320m3h，液氧产量500m3h，氧气产量大于10000m3h，压力达到16bar。 在该设备的设计和调试过程中，杭氧获得许多 宝贵的经验，同时也发现自增压流程空分设备与常 规流程空分设备相比有自己的特点，如果在设计过 程中不能全面考虑，对空分设备的性能会产生较大 的小利影咽。 首先，自增压流程空分设备氧气产品是在液氧 蒸发器中制取的，如果蒸发器不能正常工作也就意 味着整套装置的失败。在调试过程中曾发生空压机 的排气压力已经达到7bar而氧气的产量和。压力依 然无法提高的现象，经过反复调整工况，问题最终 得以解决。虽然，理论上只需空气压力能够保证空 气液化温度高于某一压力下液氧的沸腾温度，就能 生产出同一压力的氧气产品。但是在流程设计中忽 视V22、V14和V15阀的相互牵制的关系以及分析 测点的设置不合理，同样会使液氧蒸发器失去工作 能力，导致整套空分设备的失败。 其次，自增压流程空分设备的全精馏制氩工况 相对常规流程空分设备更难控制。因为有相当于氧 气产量的液氧转移到液氧蒸发器去汽化，主冷凝蒸 发器的热负荷较常规流程空分设备的主冷少三分之 一左右，因此上塔下部的工况受主冷热负荷变换的 影响较常规流程更为明显。进塔加工空气量的变 化、主冷液氧液面的波动，甚至液氧产量的变化， 均会使氩馏分抽口位置的气相组分发生较大变化， 不及时调整就会导致粗氩塔发生“氮塞”或粗氩纯 度下降。对这个问题的处理较为复杂，需要从空分 流程组织与设备结构设计等多方面进行考虑。 另外，还有一个自增压流程空分设备与常规流 程空分设备明显不同的设计之处，就是有一股约为 氧气产量的135倍的加工空气与液氧换热后变为 液体、再节流后送人精馏塔。考虑到要充分利用下 塔的精馏潜力和获得尽可能高的氩提取率，这股液 空将按一定的比例分别送人上下塔的中部进行精 馏。如果进下塔的液空比例过大，会使分配进上塔 的液空量减少，此时必须增加送人上塔顶部的液氮 量，这就导致回流至下塔顶部的液氮量减少，氮气 的纯度变差。如果分配进下塔的液空比例过小，就 会使下塔底部送人上塔的富氧液空量减少，从而影 响上塔的精馏工况，也会导致氮气纯度下降。如何 在流程计算和组织上对这股液空进行合理分配，是 自增压流程成功的关键所在。安飞公司的这套空分 设备的良好运行，充分体现了杭氧自增压流程空分 设备的研发和制造技术已经达到较高的水准。 4 自增压流程的应用优势 自增压流程相对于成熟的常规流程在设计和操 作运行上有一定的难度，但是自增压流程也有自身 的优势。首先，对于需要中低压氧气的用户而言， 应该重点考虑这种流程形式。该流程空分设备可以 为用户直接提供05 2bar的产品氧气，而且由于 省去液氧泵或氧压机之类的动设备，整套空分设备 的可靠性也得到提高。其次，就需要氧气终压为 30bar的用户而言，因为自增压流程空分设备氧气 产品的压力可达到15bar以上，所以终压为30bar 的氧压机的压比在12左右，采用效率较高的单缸 透平氧压机就完全可以达到目的，具有明显的节能 优势。以国产“万立”空分设备为例，常规流程和 自增压流程的空分设备的能耗均主要是空压机加氧 压机的能耗。常规流程的空压机能耗约4214kWh， 氧压机的能耗约2002kWh，两者相加共6216kWh。自增压流程的一体式空压机（见图2）能耗约 4479kW，氧压机的能耗约1477kWh，两者合计 5956kWh(以推荐流程的一体式空压机和单缸氧 压机的轴功率计算)。由此可见，两种流程的能耗 相差达260kWh之多，使用自增压流程空分设备的 用户每年可节约电能210万千瓦。 值得一提的是，自增压流程空分设，备的成本也 不会高于常规流程的空分设备。这是因为采用的单 缸氧压机结构简化，较常规流程配置的双缸氧压 机，成本可以大幅下降，运行维护费用也较低。而 自增压流程空分设备相对常规流程空分设备增加或 性能提升的设备有液氧蒸发器和一体式空压机，液 氧蒸发器的核心部件板翅式换热器可以认为是 从常规流程主冷中分离出来的，因此两者的成本不 会相差太多。出口压力为7bar左右的一体式空压 机与常规流程配套的空压机机型和配置基本相似， 购置成本增加并不多。5 结束语 自增压流程是一种可靠性好、性价比较高的流 程模式，在冶金、钢铁、电子(玻壳)、城市煤气 化、化工(合成氨原料气)、污水处理等工业领域 具有非常广阔的应用前景。 鉴于目前自