外行学空分（218）一一关于古典单塔制氮流程（二）

Yb2021

    标准古典单塔制氮工艺方案（冷凝塔工艺方案），最主要的核心问题在于制氮塔理论塔板数（45块左右）有限的情况下，氮气产品纯度和氮气产品提取率之间存在着尖锐的矛盾。氮气产品纯度指标越高，在制氮塔理论塔板数既定的条件下，势必要求实际回流液气比提高，势必导致制氮塔底部的富氧液空中的氧含量降低，氮含量升高，氮气提取率下降！同时如果制氮装置散冷损失较大，主换热器热|端温差较大及制取较大数量液氮产品的时候，都会导致进入制氮塔底部的空气带液量必须增加，从而降低富氧液空中的氧含量，进一步降低氮气提取率。而氮提取率是制氮装置的核心指标，与制氮装置的能耗指标关系极大！当然还由于没有压力空气增压机，空气开式热泵一膨胀制冷液化部分效率很低，加上压力空气与返流气换热液化后直接节流减压进入制氮塔底部，又降低了富氧液空中的氧含量（合理的做法是压力液空应该节流减压从制氮塔底部以上某块理论塔板数处加入制氮塔作为回流液），从而影响氮气产品提取率。
   古典单塔制氮流程标准工艺方案，氮气产品压力在3bar左右，古典单塔制氮流程不适合采用内压缩工艺方案，如果氮气产品的压力指标高于3bar，则只能采用氮气压缩机外压缩工艺方案。当然也可以把制氮塔的压力提高至略高于氮气产品压力指标，这样就可以从制氮塔直接引出符合指标要求的氮气产品，可以省去外置氮气压缩机。但是制氮塔压力提高，在制氮塔理论塔板数及氮气产品纯度不变的情况下，必须提高制氮塔实际回流液气比，氮气提取率势必会出现下降，同时这个时候采用空气膨胀制冷也变得不合适。只能采用富氧空气膨胀制冷。这是常见的一个古典单塔制氮流程的工艺方案，但这个工艺方案一般只适宜于较低氮气产品纯度的情况（例如3N），如果氮气产品纯度要求高，则氮提取率就太低了。如果希望从制氮塔直接得到较高压力的氮气产品（可以省去外置氮气压缩机），又要制取较高纯度的氮气产品，又要有较高的氮提取率，则需要采用双塔双冷凝工艺方案和双空压机单塔单冷凝工艺方案。
    下面以处理干空气50000NM3的制氮装置为倒对双塔双冷凝工艺方案进行一下简单叙述。干空气50000NM3经三段压缩至9.5bar，经纯化器纯化后压力9.4bar，全部进入主换热器与返流氮气，膨胀制冷后的富氧空气换热后部分带液进入第一制氮塔（高压制氮塔，又称为下塔）底部，第一制氮塔底部的液空（更准确地说应该是富氧液空或称为富氧液空一）氧含量约35%，数量约30000NM3，经与第一制氮塔顶部引出的氮气换热过冷后减压送至一个冷凝蒸发器（也可以设置在第一制氮塔顶部）中与来自第一制氮塔（高压制氮塔）顶部的压力氮气（压力的9.3bar）换热，压力氮气冷凝为液氮回注第一制氮塔作为回流液。液空（富氧液空一）在蒸发冷凝器中大部分蒸发气化，气相氧含量约30%，残液（富氧液空二）数量约6000-8000NM3，氧含量约45%-50%，压力5-6bar，两者均送至第二制氮塔底部。如果第一制氮塔和第二制氮塔按照上下排列，则所谓第一制氮塔顶部的蒸发冷凝器其实和双塔流程的主冷凝器完全一样，区别在双塔流程主冷凝器蒸发气化的是接近常压的液氧，而第一制氮塔顶部的蒸发气化是压力富氧液空而已！
  c4 D3 Y$ z4 n$ G& E    从第一制氮塔顶部引出纯度为5N的氮气产品经与液氮换热后进入主换热器与正流空气换热复热后作为产品氮气，压力约9.2bar！第二制氮塔顶部冷凝器蒸发气化的富氧液空中的氧含量约45%，压力约为2.5-3bar，经与第二制氮塔底部送至第二制氮塔顶部的富氧液空换热使之过冷后进入膨胀机膨胀制冷，在主换热器回收冷量后作为纯化器的再生气。第二制氮塔顶部富氧液空蒸发气化吸热使第二制氮塔顶部的压力氮气（压力约5-6bar）冷凝液化为液氮，液氮分为两部分，一部分作为第二制氮塔回流液，另一部分6000-8000NM3液氮经加压泵送与第一制氮塔顶部引出的氮气产品换热过冷后送至第一制氮塔顶部作为回流液。
    第一制氮塔及第二制氮塔回流液气比均比最小回流液气比大10%左右，理论塔板数45块，这样在第一制氮塔顶部可以得到5N纯度的氮气产品25000-26000立方米，在第二制氮塔顶部得到对应于5N纯度氮气的液氮泵送至第一制氮塔顶部作为回流液。第一制氮塔底部的液空中的氧含量可以控制在约35%！这是双塔双冷凝制氮工艺方案的关健工艺指标。
: J) L- W0 Q9 B( W) X; |   双塔双冷凝工艺方案之所以在直接制取较高压力高纯度氮气产品的情况下，可以得到相对于古典单塔制氮流程标准工艺方案更高的氮提取率，根本的原因在于在第一制氮塔较高压力的情况下，通过提高实际回流液气比从而在第一制氮塔顶部得到高纯度的氮气产品，当然这样势必导致第一制氮塔底部的富氧液空中的氧含量降低，只有约35%（在9.4bar压力下，与空气组成平衡的液相含氧约40%），如果没有第二制氮塔，则氮提取率只能达到50%！同时这样的液空（富氧液空一）在设置在第一制氮塔顶部或另设的冷凝器中部分蒸发气化，所产生的富氧空气（氧含量高于空气中的氧含量）和残液（富氧液空）均送至第二制氮塔底部，这样第二制氮塔的上升气（富氧空气）中的氧含量高于空气中的氧含量，同时数量大大小于空气的数量，即使第二制氮塔采用较高的实际回流液气比，第二制氮塔底部的富氧液空中的氧含量依然可以达到45%左右甚至更高，从而使双塔双冷凝工艺方案的总氮提取率达到67%左右甚至更高，大大高于古典单塔制氮流程标准工艺方案的氮提取率。
      双塔双冷凝制氮工艺方案液氮产品数量和氮气产品提取率之间存在互相制的关系。其中核心在于第一制氮塔底部的富氧液空中的氧含量。双塔双冷凝制氮工艺方案，第一制氮塔的压力就是产品氮气产品压力！如果第一制氮塔底部富氧液空中的氧含量高，必然导致第二制氮塔压力相应降低，第二制氮塔顶部富氧液空（二）的蒸发气化压力相应降低，膨胀制冷量降低。如何在保证氮气产品纯度的前提下，就必须控制合适的第一制氮塔底部富氧液空中的氧含量，在氮气产品提取率和液氮产品数量之间做出取舍！