內(nèi)壓縮流程空分的換熱與精餾研究

蔣 旭，厲彥忠

（1. 中空能源設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310051； 2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

內(nèi)壓縮流程空分的換熱與精餾研究

蔣 旭1，厲彥忠2

（1. 中空能源設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310051； 2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

分析和討論了內(nèi)壓縮空分設(shè)備的氧氮兩組分、氧氮?dú)迦M分及氧氬兩組分和氮?dú)鍍山M分的相平衡，精餾部分的上塔、下塔、粗氬塔、精氬塔的精餾以及高壓主換熱器、低壓主換熱器、過冷器及主冷凝蒸發(fā)器等換熱設(shè)備。希望能促進(jìn)空氣分離設(shè)備在理論方面的發(fā)展。

空分設(shè)備；相平衡；相平衡；換熱

內(nèi)壓縮流程經(jīng)過不斷完善和發(fā)展，其所涉及到的相平衡、精餾及換熱方面都要比傳統(tǒng)外壓縮要復(fù)雜的多，空分設(shè)備冷箱內(nèi)的換熱與精餾都相互作用又影響，由于內(nèi)壓縮的產(chǎn)品是在冷箱內(nèi)通過液體泵壓縮后經(jīng)過高壓換熱器復(fù)熱出冷箱的，其工作壓力往往都超出氧氮的臨界點(diǎn)，液體在超臨界狀態(tài)下進(jìn)行換熱也是內(nèi)壓縮的一大特點(diǎn)?！?】而在精餾方面，由于產(chǎn)品種類及獲取方式的不同，導(dǎo)致塔設(shè)備的物料進(jìn)出口與外壓縮相比有很大的變化；換熱的情況相比精餾更要復(fù)雜，如今應(yīng)用到空分低溫?fù)Q熱的一般首選板翅式換熱器，其可以滿足多股流、相變與無相變及超臨界狀態(tài)下的換熱形式，這些對(duì)于外壓縮都是未出現(xiàn)過的換熱方式，所以對(duì)內(nèi)壓縮流程的換熱方式的研究對(duì)進(jìn)一步加深對(duì)其的理解有重大意義。

1 內(nèi)壓縮空分流程工藝

工藝簡(jiǎn)述：空氣首先進(jìn)入自潔式空氣吸入過濾器，在空氣吸入過濾器中除去灰塵和其它顆粒雜質(zhì)，然后進(jìn)入主空壓機(jī)，經(jīng)過多級(jí)壓縮后進(jìn)入空冷塔，壓縮機(jī)級(jí)間的熱量被中間冷卻器中的冷卻水帶走。增壓機(jī)則對(duì)部分凈化后的空氣或者氮?dú)膺M(jìn)一步增壓，增壓后的介質(zhì)去膨脹機(jī)系統(tǒng)，或被冷卻為高壓液體為精餾系統(tǒng)提供冷量。

空氣在進(jìn)入分子篩吸附器前在空冷塔中冷卻，以盡可能降低空氣溫度減少空氣中水含量從而降低分子篩吸附器的工作負(fù)荷，并對(duì)空氣進(jìn)行洗滌。進(jìn)入空冷塔上部的冷凍水，冷水機(jī)組進(jìn)行冷卻后，然后再進(jìn)入空冷塔上部。

分子篩純化系統(tǒng)由兩臺(tái)分子篩吸附器、蒸汽加熱器組成，并提供一臺(tái)蒸汽加熱器作為蒸汽加熱器的備用裝置。分子篩吸附器吸附空氣中的水份、二氧化碳和一些碳?xì)浠衔?，兩臺(tái)分子篩吸附器一臺(tái)工作，另一臺(tái)再生。再生氣的加熱由蒸汽在蒸汽加熱器中完成。

出吸附器的空氣分為兩部分：一部分直接進(jìn)入主換熱器冷卻后進(jìn)入下塔；另一部分通過空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮，中抽出一股經(jīng)過膨脹機(jī)增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻，再進(jìn)入主換熱器被冷卻，經(jīng)膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入下塔，從空氣增壓機(jī)末級(jí)排出的空氣經(jīng)增壓機(jī)后冷卻器冷卻后送入冷箱經(jīng)主換熱器冷卻變?yōu)橐后w后節(jié)流進(jìn)入下塔。

經(jīng)過下塔、上塔、粗氬塔與精氬塔精餾后得到所需產(chǎn)品復(fù)熱后送出冷箱。

2 多組分相平衡

深冷法分離空氣即在低溫狀態(tài)下利用各組分沸點(diǎn)的不同而進(jìn)行分離的過程。相平衡存在于兩組分以及多組分的精餾分離當(dāng)中，兩組分以及多組分之間的相平衡是空分精餾的基礎(chǔ)【2】。

2.1 不同壓力下氧氮兩組分相平衡圖

由圖1可以看出壓力越高，精餾溫差越小，精餾效果會(huì)越差；壓力越低，精餾溫差越大，精餾效果會(huì)越好。

圖 1 不同壓力下氧氮兩組分相平衡圖Fig.1 The oxygen and nitrogen under different pressure two components phase equilibrium diagram

圖 2 氧氮?dú)迦M分相平衡圖Fig.2 Oxygen and nitrogen argon three components phase equilibrium diagram

下塔也叫壓力塔，一般壓力塔的精餾選擇篩板塔，填料塔在壓力高時(shí)精餾效率并沒有優(yōu)勢(shì)，篩板塔具有高度較低，精餾效率較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此應(yīng)用較多。但是填料塔由于類型不斷地改進(jìn)，同時(shí)變負(fù)荷范圍較寬，與篩板塔相比塔徑小而在大型空分上應(yīng)用較多。

由圖 1可以看出氧組分與氮組分在低壓下精餾溫差大，因而精餾效果好。

上塔也叫低壓塔，多采用填料塔，因?yàn)樘盍纤诘蛪合碌木s效果要優(yōu)于篩板塔，而且上塔的進(jìn)出料較多，要求變負(fù)荷范圍大，并且填料塔阻力只有篩板塔的 1/3，具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 氧氮?dú)迦M分相平衡圖

首先，“概念”要求我們采用自上而下的視角，從概念意義出發(fā)來看體現(xiàn)形式。六種及物性過程，序列、圖形和成分三個(gè)級(jí)階，實(shí)體、過程、性質(zhì)等性狀，從不同的角度對(duì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行識(shí)解和描述，我們認(rèn)為這些都可納入概念意義的范疇。正是基于某個(gè)概念意義，我們思考用什么樣的詞匯語(yǔ)法形式來體現(xiàn)。需注意的是，同一情景或經(jīng)驗(yàn)是概念之源，一致式和隱喻式體現(xiàn)的是同一基底概念，如3.3節(jié)所述，各自的意義雖相似，卻存在不容忽視的差異，因此，我們應(yīng)該把Halliday說的“相同的所指”改為“相似的所指”。

由圖2可以看出氬組分的精餾溫度在氮組分與氧組分之間，并且接近氧組分，所以一般只要氮產(chǎn)品或者只要氧氮產(chǎn)品的空分設(shè)備，把氬組分劃歸氧組分當(dāng)中，氬組分對(duì)氧組分精餾的影響隨著氧純度的提高而愈加明顯。

3 低溫精餾

精餾對(duì)于空分設(shè)備來說是借助于篩板或者規(guī)整填料等載體進(jìn)行的低溫工況下的各組分的傳質(zhì)傳熱，從而獲取產(chǎn)品的過程【3】。

精餾塔的液相負(fù)荷：對(duì)于不同組分而言，氬組分質(zhì)量較重，氮組分較輕，氧組分居中（精餾各組分的液體密度為氧：1 140 kg/m3；氮：810 kg/m3；氬：1 410 kg/m3），所以由于其組分比例得不同，對(duì)液相負(fù)荷的重度影響也不同。

對(duì)于塔板氣液負(fù)荷值來說：對(duì)于氣相而言上升氣先低后高，原因是氧組分的汽化潛熱較大，液化能力較氮組分強(qiáng)，因而氣相先低后高，也即精餾塔從底部到頂部，氧組分濃度漸小，這也是上述狀況出現(xiàn)的原因。（各組分的汽化熱：氧：213.65 kJ/kg；氮：199.25 kJ/kg；氬：164.09 kJ/kg）

對(duì)于下流的液相而言，氬組分的液體密度最大，氧組分次之，氮組分最?。凰詺褰M分濃度大的塔板液體質(zhì)量負(fù)荷較大；而對(duì)于氬組分濃度較小的塔板，質(zhì)量負(fù)荷較小。

圖 3 下塔沿塔板上的液氣負(fù)荷值Fig.3 Liquid and gas load values along the plate in lower tower

第1塊抽液氮；第2塊塔板抽出少量壓力氮?dú)?；?18 塊抽污液氮；第 36 塊抽出貧液空；42 塊抽富氧液空；空氣由42塊進(jìn)；氬組分較集中在貧液空出口處；氣相由于氧的汽化潛熱較氮?dú)獾钠瘽摕岽?，所以上升氣質(zhì)量負(fù)荷逐漸增大【4】。

3.2 上塔氧氮?dú)迦M分沿塔板濃度分布截面圖(圖 4)

圖 4 上塔氧氮?dú)迦M分沿塔板濃度分布截面圖Fig.4 Concentration distribution diagram of oxygen ,nitrogen and argon three components along the plate in upper tower

3.3 上塔沿塔板分布的液氣負(fù)荷值(圖 5)

圖 5 上塔沿塔板分布的液氣負(fù)荷值Fig.5 Liquid and gas load values along the plate in upper tower

頂部第1塊抽氮?dú)?；?塊進(jìn)污液氮，抽污氮?dú)?；?18 塊貧液空進(jìn)；第 24 塊液空進(jìn)；第 30 塊液空蒸汽進(jìn)；第47塊氬餾分抽出，液氬餾分回流，底部第81塊抽液氧。

4 低溫?fù)Q熱

圖 6 主冷凝蒸發(fā)器換熱圖Fig.6 Main condenser evaporator heat exchange maps

液氧內(nèi)壓縮高壓主換熱器屬于超臨界狀態(tài)換熱，液氧內(nèi)壓縮低壓主換熱器屬于氣-氣換熱，一般無相變或者微量帶液體，過冷器沿長(zhǎng)度屬于液-氣換熱，無相變。主冷凝蒸發(fā)器的換熱最復(fù)雜，相變及無相變的各種換熱類型都存在(圖 6)。

下 塔 頂 部 壓 力 5.78 bar,飽 和 態(tài) 氮 氣 （ 組 分N2:0.999997;AR:0.0000003）,飽和溫度 95.865 K。

上塔底部壓力 1.4bar時(shí)，板式頂部液氧（組分O2,0.996,Ar:0.004），飽和溫度 93.27 K,由于有 2.2 m的液柱靜壓，板式底部壓力 1.65 bar（此壓力下液氧飽和溫度 95.07 K），液氧處于過冷態(tài)，過冷度 1.8K，在板式中間隨著液氧的壓力降低（液柱靜壓從底部到頂部，先為全液體，出現(xiàn)氣泡后，逐漸增多，成為氣液混合物，氣體逐漸增多，到板式頂部大約有31%的液體汽化，液氧循環(huán)倍率為 3.225，（一般液氧循環(huán)倍率取 3～5 即可））;對(duì)數(shù)溫差 1.02 K，熱端溫差 1.838 K,冷端溫差 2.18 K.最小溫差 0.5 K;（一般主冷凝蒸發(fā)器的對(duì)數(shù)溫差只需大于 0.8 K 即可滿足）。

液氧的換熱為先為過冷態(tài)換熱，然后隨著壓力降低，溫差擴(kuò)大，進(jìn)行變相換熱，隨著壓力的降低，飽和點(diǎn)也隨著降低，溫差逐漸擴(kuò)大，出口地方溫差擴(kuò)大到 1.86 K,(95.86～94.0 K)，但是由于液相有向上的壓力頭，致使上段液相不能完全接觸到板式壁面，能接觸到的液體汽化后，在壁面形成邊界層，與板式壁面換熱溫差漸漸縮小，換熱微弱，同時(shí)氣-氣無相變換熱效果差，所以在板式上段出口地方換熱又轉(zhuǎn)弱。

所以主冷板式適當(dāng)有個(gè)傾角實(shí)際上對(duì)換熱是有利的（可讓主冷板式上部實(shí)現(xiàn)部分氣液分離，這樣液相與板式接觸更充分些），但是液氧循環(huán)倍率會(huì)減小，這是不利的地方。另外降膜主冷的板式也可傾斜，這樣更有利于增強(qiáng)換熱減小換熱面積與控制循環(huán)倍率。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)冶金及化工行業(yè)的發(fā)展，內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的應(yīng)用也變得更加廣泛，其流程形式具有多樣化的特點(diǎn)，產(chǎn)品獲取方式可以有多種，使得精餾與換熱要比傳統(tǒng)外壓縮要復(fù)雜許多，對(duì)于設(shè)計(jì)及運(yùn)行操作等方面的理解與應(yīng)用出現(xiàn)了新的難題，這也是氣體分離行業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸?！?】?jī)?nèi)壓縮空分流程作為新一代流程，應(yīng)用 40 余年來，經(jīng)過不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，已經(jīng)臻于成熟。

換熱與精餾是空分設(shè)備的兩大主題，空分設(shè)備低溫下的換熱型式，低溫下的精餾載體，其相互影響又相互作用，而內(nèi)壓縮空分流程的自身包容性也使得這些相互影響，相互作用的因素又完美的結(jié)合在了一起，使得空分流程不斷推陳出新，向前發(fā)展，或許這正是內(nèi)壓縮空分流程的生命力之所在。

［1］蔣旭．帶液體空分設(shè)備的流程選擇[J].氣體分離，2013（4）：17-27.

［2］張祉祐.低溫技術(shù)原理與裝置[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社,1996.

［3］黃建斌.工業(yè)氣體手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

［4］蔣旭，王忠建，劉景武.制氬系統(tǒng)原理與操作淺析[J].氣體分離，2013（2）：21-28.

［5］蔣旭，丁友勝，厲彥忠，趙小瑩．鋼廠應(yīng)用空分裝置的配套[J].通用機(jī)械，2013（11）：40-43.

Research on Distillation and Heat Exchange of the Internal Compression Air Separation Plant

JIANG Xu1， LI Yan-zhong2
（1. Zoko Energy Equipment Co.,Ltd.,Zhejiang Hangzhou 310051, China；2. Xi’an Jiaotong University, Shaanxi Xi’an 710049, China）

The phase equilibriums between oxygen & nitrogen, between oxygen, nitrogen & argon, between oxygen & argon and between nitrogen & argon of internal compression air separation plant were analyzed and discussed, the distillation of upper column, lower column, crude argon column and pure argon column was introduced as well as heat exchanging equipments including high pressure main heat exchanger, low pressure heat exchanger, sub-cooler and main condenser evaporator.

Air separation plant; Phase equilibrium; Distillation; Heat exchange

TQ 050

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1224-03

2014-01-23

蔣旭（1983-），男，浙江杭州人，工程師，2009 年畢業(yè)于西安交通大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，研究方向：從事空分設(shè)備設(shè)計(jì)工作。E-mail：jiangxukk@163.com。