外行学空分（211）一一新单塔流程制氮工艺方案（二）

Yb2021

      在讨论新单塔流程制氮工艺方案工艺参数选择之前，先讨论一下古典单塔制氮流程工艺方案工艺参数的选择。
     古典单塔制氮流程是一个以深冷空分精馏原料空气为循环工质的开式热泵冷凝流程，其原理上和双塔流程的下塔一样，但又有所区别，双塔流程的下塔一般情况下是完全冷凝（也不排除部分冷凝的情况，例如从下塔顶部引出少量的压力氮气）其输出的是液氮和富氧液空，而古典单塔制氮流程却是部分冷凝，从制氮塔顶部引出压力氮气在主换热器复热至常温后作为产品氮气。而制氮塔底部输出的富氧液空过冷减压后作为制氮塔顶部冷凝器的冷源，使制氮塔顶部的压力氮气冷凝为液氮作为制氮塔的回流液。古典单塔制氮流程本质上是冷凝塔工艺方案，其最大氮提取率决定于制氮塔压力及实际回流液气比和进入制氮塔压力空气中的带液量（带液量越大，则富氧液空中的氧含量越低，氮提取率越低，所以不适合采用内压缩流程，也不适合制取高比例液氮产品）实际氮提取率和最大氮提取率的差距则决定于实际回流液气比和最小回流液气比的比值，实际液气比和最小回流液气比的比值越大，则氮提取率越低。
& Y5 w" O. ~8 f! K4 V8 R    古典单塔制氮流程核心目标指标是氮气纯度氮气产量（提取率），核心工艺参数则有空压机出口压力，制氮塔压力，制氮塔理论塔板数。富氧液空中的氧含量及进入制氮塔压力空气中的带液量等等。
. h- g' f1 h* @0 a/ p( {+ g  [1 |    制氮塔理论塔板数由工程条件决定的，在工程造价条件允许的情况下，尽可能最大化以降低能耗，也就没有选择的问题了。
" n% W$ L  j" n    制氮塔的压力选择是古典单塔流程工艺方案的核心，制氮塔的压力是由富氧液空中的氧含量和制氮塔顶部冷凝器换热温差及冷凝器富氧液空侧液位静压所决定。富氧液空中的氧含量越高，冷凝器换热温差越大，富氧液空侧压力越高，制氮塔的压力越高。而富氧液空中的氧含量则决定了古典单塔制氮流程的氮气提取率。富氧液空氧含量越高，氮气提取率越高，相应制氮塔压力越高。从氮提取率角度而言，制氮塔的压力在3bar左右，这样情况下与空气组分平衡的富氧液空中的氧含量在45%左右，最大氮气提取率可以接近70%，实际氮气提取率当然低于最大提取率在65%左右。这基本上已经是古典单塔制氮流程标准工艺方案的最大氮提取率了，当然进一步提高氮提取率是可能的，但需要对古典单塔制氮流程工艺方案进行大幅度的调整。目前实际案例中氮提取率可以达到75%，但其工艺方案和古典单塔流程已经相去甚远（虽然本质上还是古典单塔制氮流程）。古典单塔制氮流程当然也需要空气开式热泵一膨胀制冷液化部分以实现冷量平衡和制取液氮产品，古典单塔制氮流程制冷可以有采用以空气，富氧空气为膨胀制冷循环工质的不同的选择。
   古典单塔制氮流程是不适合采用内压缩工艺方案，如果要制取高于标准工艺方案制氮塔压力的压力氮气产品，只有外压缩和提高制氮塔压力两个途径。
     新单塔流程制氮精馏塔压力，当然选择尽可能接近常压，精馏塔压力越低，氮一氩氧分离系数越大，精馏能耗越低。新单塔制氮流程的理论塔板数也是受到工程条件的限制，为了降低能耗尽可能在工程条件允许下增加理论塔板数，由于新单塔流程采用常压精馏塔，可以采用规整填料实际理论塔板数大大高于古典单塔流程的制氮塔。
/ O; x$ U6 N  I0 H& T) o/ L1 {   新单塔流程制氮流程和新单塔流程完全一样采用空气氮气双热泵工艺方案，只是对空压机出口压力，氮压机出口压力压缩量等工艺参数进行相应的调整。其中空压机出口压力4.2bar，这是综合考虑纯化器，制冷及精馏后的选择。
   新单塔流程制氮共有两个空气氮气双热泵工艺方案，一是空气氮气冷凝器均设置在制氮塔底部的方案，二是空气冷凝器设置在制氮塔底部，氮气冷凝器设置在制氮塔液空入口处的方案。其中方案一氮压机出口压力5.4bar，方案二氮气压缩机出口压力2.1bar。
0 f% S  \- P; Z   新单塔流程制氮产品纯度决定于液空以上至制氮塔顶部之间的理论塔板数，氮气产量（提取率），及实际液气比。这一段最小液气比为0.3-0.33之间，以空气处理量50000NM3，氮气提取率95%，氮气压缩量在25000（影响氮气产品纯度的主要是氩，为保证氮气产品纯度，氮气压缩量从22000NM3增加至25000NM3，再根据液氮产品数量相应增加），实际回流液气比在0.4左右。实际氮气压缩量需在理论塔板数及氮气产品纯度确定后通过精馏计算而得出！
0 c" Y" u' ~$ |1 ?   制氮塔提馏段为氮一氩氧精馏分离，以空气处理量50000立方米为例，当采用双热泵工艺方案一时，进入制氮塔底部空气冷凝器的空气数量在10000NM3左右，当采用双热泵工艺方案二的时候，进入设置在制氮塔底部的空气冷凝器中的空气数量为30000立方米。其余压力空气涡轮增压后用于膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入制氮塔参与精馏。
$ q$ _+ K' E( T7 M- _" h  ^# S   新单塔流程制氮塔是常压精馏塔，可以采用规整填料，而且决定产品纯度的液空入口处至制氮塔顶部的实际液气比可以通过氮气压缩量而自由调整，非常有利于高纯度产品制取。
   因为新单塔流程制氮不同于古典单塔制氮的冷凝塔工艺方案而是采用常压精馏塔工艺方案，新单塔制氮的氮提取率最低可以达到95%。
   和所有双塔流程，单塔制氮流程，单塔制氧流程及新单塔流程一样，我们只从开式热泵精馏的角度考虑标准工艺方案的工艺参数，而没有从开式热泵一膨胀制冷液化的角度考虑工艺参数，从而导致无论是古典单塔制氮流程，古典单塔制氧流程，双塔流程还是新单塔流程的标准（基本）工艺方案的开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，影响了气氧气氮单耗，需要增加压力空气增压机的配置，有关这方面的问题将在后面的帖子中讨论。