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本帖最后由 Yb2021 于 2024-1-22 09:01 编辑 8 B Q" E4 E* h
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氧气氮气既可以在空分装置外进行压缩，也可以在空分装置内直接得到所需要的压力氧气和氮气，从空分装置内直接得到需要的压力氧气和氮气的空分流程叫做内压缩空分流程(严格意义上是内压缩工艺方案还称不上内压缩流程，约定俗成称为内压缩流程也无不可)。- V1 X2 T4 E6 B: S& U
内压缩的原理很简单，即在空分装置精馏系统引出液氮液氧加压泵送至主换热器的内压缩换热单元中与正流的压力空气换热，自身气化为所需要的压力氮气和氧气在主换热器复热后引出空分装置。按照如此描述似乎就要求正流压力空气的沸点必须高于压力氧气和压力氮气的沸点加换热温差，一般情况特别是内压缩氧气氮气压力较低时都是按此安排，这种情况下，内压缩过程实际上是液氧液氮把冷能给正流空气，正流空气把压力能给液氧液氮，最终的结果是正流空气压力能转换成为内压缩的氧气氮气压力能。但当内压缩氧气压力较高时，受空气临界温度的限制，内压缩氧气压力大于某个压力时，液氧气化温度高于空气的临界温度！这个时候情况就不同了！这种情况下，正流压力空气的沸点（一般而言正流空气压力接近空气临界压力）低于液氧气化沸点加换热温差，这样正流压力空气的液化和压力液氧的气化就不可能同步进行，但只要正流空气的沸点以下的返流气的冷量可以使用于内压缩的正流压力空气全部液化，内压缩就可以实现，这样内压缩氧氮气得到的压力能一部分由是正流空气压力能转化而来，另一部分则由冷能转化而来（需要增加膨胀制冷量或者减少空分装置液体产品数量）！采用内压缩流程了好处是很多的，但空分技术人员的主流认识是采用内压缩流程并没有节能的好处，即氮气氧气内压缩并没有象氧氮气液化过程一样和深冷空分装置有协同效应联合红利。但这个结论太大而化之了。要得到比较可靠的结论，起码需要从内压缩流程对空分装置的制冷(液化)和精馏过程两个方面进行利弊分析，另外也需要对氧气氮气内压缩分别分析其利弊。5 m1 Q9 w1 l, W$ Z
内压缩工艺方案主要的问题有以下的几个，一是用于内压缩的正流空气数量和内压缩氧气流量（液氧数量）的关系。二是正流空气压力和内压缩氧气压力的关系，三是内压缩工艺方案对制冷（冷量平衡）的影响，四是内压缩工艺方案对精馏的影响。" V; b$ _* }# A7 r4 @) c: L; p% y+ z
关于第一个问题，最主要的考虑因素是正流空气每摩尔冷凝潜热和内压缩液氧每摩尔气化潜热，两者之间的比值就是正流空气和内压缩氧流量的最小比值。一般情况下正流空气数量均略大于此值，这样可以保证内压缩的实现，但正流空气不能全部液化，末液化的正流空气可以进一步吸收返流气的冷量而液化从而抬高膨胀机进口温度，有利于冷量平衡。当然超过太多则正流空气无法全部液化，末液化的正流空气只能节流进入下塔或空气冷凝器就不利了。; ]8 g8 U1 f2 T, `% `
关于第二个问题，最主要的考虑因素是正流空气的冷凝温度和压力液氧的气化沸点，一般情况下要求正流空气的冷凝温度大于等于压力液氧气化沸点加换热温差。这样在正流空气液化的同时压力液氧气化，正流空气的压力能转移给压力氧气，压力液氧的冷能转移给液空。最终结果是正流空气压力能转移给内压缩氧气。但在内压缩氧气压力较高（例如100bar）时，如果按照此工艺方案，由于受限于空气临界温度，则无论正流空气压力多高也无法实现，这种情况下在液氧气化的时候，正流空气并不能液化，但正流空气进一步吸收返流气中的冷量冷能才会全部液化，这种情况下内压缩氧气的压力能一部分来自正流空气压力能，一部分来自空分装置的液体产品冷能。这个时候正流空气的压力决定于此压力下正流空气冷凝温度以下返流气可以吸收并使正流空气液化的冷量。可吸收冷量多，正流空气压力可以低一些，可回收冷量少正流空气压力就必须高一些，但是正流空气压力一般不宜超过空气的临界压力，超过临界压力后，空气的冷凝温度不再提高。总而言之用于内压缩的正流空气必须全部液化进入下塔，只有这样才能从上塔底部引出用于内压缩足够数量的液氧。) e) @, L8 D& O6 b$ p0 {$ X
从制冷(液化)的角度来说，内压缩流程可以提高膨胀机的进口温度，高温高焓降！另外内压缩流程的正流空气压力一般比不采用内压缩流程的高，也可以提高空气开式热泵一膨胀制冷液化效率，如果采用液体膨胀机就更有利了，但采用内压缩也会造成换热组织困难主换热器热端温差增大，综合考虑采用内压缩流程对空分装置的制冷(液化)效率是利大于弊。3 R5 h; `( m2 k; w. ]
从精馏角度来说，情况就比较复杂了，从精馏的角度来说，采用内压缩流程意味着精馏塔氧氮气的引出从气氧气氮变为液氮液氧，这个改变对精馏过程的影响就非常大了！而且氧气和氮气的内压缩对空分精馏过程的影响是非常不同的。
# G; B$ W) d, B( V$ j 从常规精馏来说，当高沸点组分从精馏塔气相引出改变为液相引出时，可以减少再沸器蒸汽消耗，其数量等于高沸点组分的气化潜热。当低沸点组分从气相引出改变为液相引出时，需要增加冷凝器冷却水消耗，其数量相当于低沸点组分的液化潜热。空分精馏流程不是常规精馏流程而是开式热泵精馏流程，但基本的道理是一样的。 k- m8 J7 u! Q) A( Y7 g
这当然也是简单化的分析，还需要结合精馏过程进行进一步的分析才能达到比较可靠的结论。+ V# ^5 ^- y& ?/ L9 k# M
双塔流程如果要求氧气纯度达到99.5%以上，如果不采用内压缩流程，那么进入下塔的空气数量要达到空气总量的85%以上，只有15%的空气可以用于膨胀机制冷。如果采用氧气内压缩流程(氮气不采用内压缩)则进入下塔的空气数量可以减少至空气总量的60%(另有空气数量的25%以液空形式进入下塔，进入下塔空气总量不变，但用于精馏的压力空气数量减少)仍然可以有15%的空气可以用于膨胀机制冷。但采用内压缩工艺方案时，下塔富氧液空中的氧含量会下降（现在已经出现液化空气过冷后直接作为下塔及上塔回流液的工艺方案，这是合理优化的工艺方案，就不会对下塔富氧液空中的氧含量产生影响），下塔产生的液氮量会减少，对氧提取率有影响。综合考虑对精馏过程略有不利影响无重大影响。现在有一种新的设计趋势，那就是内压缩产生的液空不再和压力空气一起进入下塔底部，而将液空和压力空气分开，压力空气仍然从下塔底部进入，而液空则过冷后节流减压后进入下塔或上塔作为回流液，这样的改进，有利于提高富氧液空的纯度，对上下塔的精馏也是有利的。
/ Y4 w3 ?; G [ 双塔流程如果要求氧气纯度达到99.5%以上，采用氧气内压缩流程同时又采用氮气内压缩流程，那么进入下塔的空气数量就是由下塔制取的液氮数量决定。当内压缩氮气比例大于氧气产量30%-40%时，所有的空气需要全部进入下塔以制取足够数量的液氮。这种情况下也就没有压力空气可以用于低压膨胀机（空分术语中是低温膨胀机）了，所谓的低压膨胀机也就不存在了。这种情况当然有很大的好处，一是可以减少上塔提馏段的理论塔板数提高氧气产品纯度，提高氩提取率。二是可以去掉低压膨胀机，流程简洁明快，现在大型空分装置和全液体空分(全液体空分是液氮产量达到液氧产量的30%-40%)基本上都是如此！但是可能从来没有人考虑过这样的产品方案和流程布局能耗上是否有利？如果空气全部进入下塔是为了提高氧气产品纯度及提高氩提取率另当别论，如果为了氮气内压缩而采取这样的工艺方案，则氮气内压缩相对于外压缩能耗就很高了！2 H; l7 A }7 M
标准的双塔流程，在低液体产品方案时，采用的是单低温膨胀机工艺方案，通过调整空压机出口压力而调整液体产品数量。但这个范围是非常有限的，而且制冷(液化)效率非常低，因为空压机出口压力提高，其中85%的压力空气减压进入下塔！深冷条件下气体节流减压不可逆很大，有效能损失很大！当液体产品数量大于气体产品数量10%以上(一般以液氧占总氧比例)时，就需要采用增压机配套双膨胀机流程。双膨胀机流程相对于单低压膨胀机流程，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率有一个大幅度的提高！空分教科书中一方面有气氧实际液化单耗1.25-1.47Kwh每标准立方米液氧的说法，同时又有采用双膨胀机流程时，气氧液化单耗可以降低至0.65Kwh每标准立方米液氧的说法。其实这两种说法之间是存在一定的矛盾的。所以当有人看到前面的说法时，斥之已经落后五十年！看到后面的说法时，则认为是正确的。其实这两种说法都是正确的但又是不够严密的！相关内容可以参阅有关空分装置的能耗核算及空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的帖子。0 w+ A* a4 [% K6 ]* a$ j
其实采用双膨胀机流程的空分装置的案例非常少！高液体产品的双塔流程一般也是采用单膨胀机流程，只不过这个单膨胀机是高压膨胀机而不是低液体产品方案时低压膨胀机！- h9 C# J/ Q. ~0 u0 E/ I
双塔流程提氩后，进入下塔的空气数量需要达到空气数量的87%，低压膨胀机的空气数量只占空气数量的13%。但这不是一个小数量！8 t; F! ?5 M a
在双塔流程高液体产品方案时，一般都同时制取液氮产品或者采用氮气内压缩流程，当液氮产品和内压缩氮气产品超过气氧产量30%以上时，空气需要全部进入下塔，以制取足够的液氮供液氮产品引出及氮气内压缩之用，当然低压膨胀机也就不存在了！
- I3 p2 w& a0 q4 D9 k2 N8 u4 n P0 ] 从以上的分析可以看出，双塔流程采用氧气内压缩都是节能的，或者说存在联合红利协同效应，而制取液氮产品或者采用氮气内压缩则是不利的。当然这还是一个简单化的结论，只有通过深入比较才能得出更可靠的结论。& b' H2 ]& R8 ^4 z3 L! x
和双塔流程不一样， 新单塔流程无论是采用氧气内压缩流程还是氮气内压缩工艺方案，基本上和深冷空分装置都是有协同效应联合红利的，当然这个联合红利和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合红利相比是相对很小的。
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发表于 2022-1-3 09:21:24
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