作者：中国空分工程有限公司 王丹、潘明
摘要：本文提出一种带补气压缩机双膨胀制冷的全液体空分流程，本流程增加了补气压缩机，采用循环氮压机，高、低温双膨胀制冷的中压流程工艺，大大地提高了装置的提取率，降低了能耗，提高了装置的变负荷能力。尤其适用于中大型全液体空分。
关键字：全液体空分 补气压缩机 双膨胀 制冷
1 前言
液体产品具有贮存便利、供应方便、安全和输送效率高等优点，现越来越受到气体生产商的青睐，液体产品的需求量逐年上升,每年以15%～20%的速度增加，市场潜力巨大[1]。
为了要获得大量的液氧和液氮产品，目前大致有二种方法：一是先生产气态产品，然后再根据需要采用液化装置将气态产品液化，这种方法能耗相对较高；另一种方法是直接采用液体空气设备生产液氧和液氮产品，与前者相比该法能耗较低，能比较好的满足用户单位的要求。
液体空分设备按工作压力等级的不同，一般可以分为低压循环流程和中压循环流程两大类。在中压循环流程中因采用的制冷循环工质的不用一般又分为空气循环流程和氮气循环流程。本文介绍了典型全液体空分流程组织并详述了其中一种带补气压缩机的全液体空分流程，通过与不带补气压缩机流程比较分析，得出该流程具有单位能耗低，提取率高，装置变负荷能力强的优点，较适用于液氮产量大于液氧产量的中大型液体空分。
2全液体空分典型流程一般选择
液体空分设备流程的选择应根据用户提出的装置规模、纯度要求、能耗指标以及对变工况等要求来选择合适的工艺流程、单元设备的结构形式和组织方式等。设计必需按照这些要求合理地进行流程的组织，以确定装置的工艺流程。
一般来说液体产量小于1000 m3/h(折成气态，下同)的液体空分设备，多数是采用低压(1.0MPa)利用空气循环制冷流程。这种装置液体产量较小，同时为简化流程，操作方便，原料空气和制冷循环空气在流程中可由一台压缩机提供。这种流程单位产品能耗较高。
当液体产量在2000～3000 m3 /h（折成气态）以上时，属于中大型液体空分设备，由于液体产品量加大，装置须提供更多的冷量。因此在工艺流程上必须采用中压制冷循环，当气体液化压力提高，其液化温度也随之提高，单位气体液化所需的冷量将减少，如果气体液化压力超过其临界压力时，气体液化过程中就不存在等温的冷凝过程，这样就能减少循环气量，使单位产品能耗降低，这也正是中压流程为什么经济性好的重要原因。
对于以液氧产品为第一工况的全液体空分设备，应用空气循环流程是比较合适的，这不仅可以获得液氧和部分液氮产品外，还可以最大限度地提取液氩产品。
目前有很多用户要求在生产液氧产品的同时，又能够生产较大量的液氮产品，甚至液氮的产量要超过液氧的产量，在这种情况下，为了提高其整个装置的合理性和经济性，在工艺流程的组织上，建议采用氮气循环制冷的流程。
流程中循环氮气的抽取方法有两种：一种是抽取上塔的低压氮气增压至中压（即本文将详述的带补齐压缩机流程）；另一种是从下塔抽取压力氮再增压流程。
3 带补气压缩机双膨胀制冷的全液体空分流程
全液体空分设备的产品有液氮、液氧和液氩，需要的冷量很大，传统的流程已经不能满足产品为全液体的要求。因此为了满足全液体空分设备大制冷量的要求，需要增加外循环的方式来增加制冷量[2]。一般来说，无论何种流程，为了提高其装置的经济性，降低单位液体产品能耗，制冷系统的组织方式基本分成带高、低温增压透平膨胀机制冷和带增压透平膨胀机加低温冷冻机制冷的二种流程。
全液体空分设备与普通的气体分离设备相比，液体设备的不同点在于：在换热部分需要完成气体液化的工艺，其液化量基本等于设备需要的液体总产量。冷量的多少或者产量大小直观表现为液氮节流阀后进入下塔的这股量。具体表现为：在设备冷损一定、换热温差与膨胀机机后温度不变的情况下，阀后的液氮量越大，制冷量就越大，在进塔空气得到保证的前提下，液体产量就越大。
带补气压缩机的全液体空分流程包括循环氮气部分和空气分离部分。如图1所示。
循环氮气部分：循环氮气部分为整个液体空分装置提供所需冷量，循环氮气进入循环氮压机压缩冷却后分为两路，一路直接进入主换热器冷却到~5℃后进入高温膨胀机，膨胀后的氮气返回主换热器提供部分冷量，复热后的氮气返回循环氮压机入口；一路依次经过低温、高温膨胀机增压段后分为两部分，一部分冷却至接近露点温度节流后进入下塔参加精馏，一部分冷却至~-90℃后进入低温膨胀机，膨胀后气体进入气液分离器，液氮与出过冷器的液氮汇合后送入上塔，气氮经主换热器回收冷量后返回循环氮压机入口。上塔顶部的低压氮气依次经过过冷器和主换热器复热后进入补气压缩机，压缩后的氮气去循环氮压机入口。如此循环，为整个空分装置提供冷量。
空气分离部分：净化后的原料空气经主换热器返流气体（污氮、纯氮）冷却到接近露点的温度，然后进下塔参加精馏；在下塔中，空气被初步分离成氮和富氧液空，顶部氮气在冷凝蒸发器中被冷凝为液体，同时主冷的低压侧液氧被汽化。部分液氮作为下塔回流液，剩余液氮则从下塔顶部引出，经过冷器被氮气和污氮气过冷后又分为两股，一股节流送入上塔顶部参加精馏，另一股作为产品送入后备储存系统储存。下塔底部的富氧液空抽出下塔，在过冷器中过冷后进入精氩塔底的蒸发器作为热源蒸发精氩塔底部的液氩，同时液空本身被过冷，过冷节流后的液空分成两部分，分别进入粗氩塔顶和精氩塔顶的冷凝器作为冷源，同时液空被蒸发，蒸发后的气相液空、液相液空分别进入上塔参加精馏。经上塔精馏后，从上塔顶部得到氮气，这部分氮气抽出复热后进入补气压缩机压缩后作为循环氮气，从上塔上部引出的污氮气经过冷器和主换热器复热后作为分子筛吸附器的再生气体，上塔底部引出的液氧作为产品送入储存系统储存。在上塔合适位置抽出氩馏份气体（含氩量约12%），氩馏份从粗氩塔底部导入参与粗氩塔精馏，在粗氩塔顶部抽出粗氩气进入精氩塔中部，在精氩塔蒸发侧利用下塔顶部来的液空作为热源，促使精氩塔底部的液氩蒸发成上升蒸汽，同时液空被过冷，过冷后的液空节流后分别进入粗氩塔、精氩塔冷凝器作为冷源，产生回流液，以保证塔内的精馏，实现氩氧、氩氮分离，从而在精氩塔底部得到纯液氩。
图1 带补气压缩机的全液体空分流程
此流程的特点：①为了避免从下塔取出过多的压力氮气进入循环氮压机而降低产品提取率，本流程采用了上塔顶部出冷箱的低压氮气经补气压缩机加压后作为补充循环氮气，产品提取率提高，能耗水平也随之降低。
②采用中压制冷循环流程，减少循环氮气量，单位产品能耗降低。
③采用高、低温双膨胀机制冷，提供充足的冷量并减小热端温差，降低高压换热器的不可逆损失，降低了能耗；且两股流体调整简单，可操作性强。
④低温膨胀机后的气液混合氮分离后，气态进入板式换热器回收冷量，液氮节流后进入上塔，上塔冷量增加，精馏段液气比增大，液体产量增大，尤其是氩提取率能大幅提高，同时也避免了气液混合氮进入板式换热器造成的分布不均问题。
⑤本流程可以在生产液氧、液氮产品的同时有较高的氩产品提取率。
通过HYSYS流程软件模拟计算，与不带补气压缩机氮气循环流程比较结果如下表1。为了对比流程的单位能耗，流程计算都建立在同一参数条件基础上。在流程模拟计算中取循环氮压机的绝热效率为72%，主换热器的最小温差~2.0℃，积分温差~3.5℃，过冷器最小温差2℃。
4 结论通过计算可以知道，在获得相同液体产品量的前提下，带补气压缩机的全液体空分流程所需原料空气量将大大减小，为此，分子筛用量亦将大为减少，再生能耗也将同时减低，并且机组设备体积尺寸相应减小，与此同时，氩提取率较高。给业主带来更高的经济性。
本文所提出的带补气压缩机双膨胀制冷的全液体空分流程具有单位能耗低，提取率高，变负荷能力强，经济性好，可操作性强等优点，适用于液氮产量大于液氧产量的中大型全液体空分，值得推广。
参考文献
[1] 郑小平. 液体空分流程形式浅析[J]. 低温技术，2012.
[2] 王庆波，郑小平. 全液体空分流程形式的比较与选择[J]. 深冷技术，2009.
