外行学空分（219）一一关于古典单塔制氮流程（三）

Yb2021

   前帖介绍了双塔双冷凝制氮工艺方案，现在讨论一下单塔双空压机制氮工艺方案。和双塔双冷凝制氮工艺方案一样，双空压|机制氮工艺方案的出发点也是为了同时达到制取高纯度氮气产品，直接得到较高压力的氮气产品及取得较高的氮提取率三个相互冲突的目标。
   现在简单叙述一下双空压机单塔制氮工艺方案，干空气50000NM3经原料空气压缩机三段压缩至9.5bar，经纯化器纯化后压力9.4bar，在主换热器与返流氮气，富氧空气换热后呈带液状态从制氮塔底部以上约5块理论塔板数处进入参与冷凝精馏，从制氮塔某块塔板处引出液空或者富氧液空（含氧约25%-30%）30000NM3节流减压至5-6bar左右后进入氮气冷凝器中与制氮塔顶部来的压力（9.4bar）氮气换热，一方面使压力氮气液化回注制氮塔作为回流液，另一方面自身蒸发气化为氧含量25%-30%的富氧空气，经深冷压缩至9.5bar后在主换热器换热后从制氮塔底部进入制氮塔参与精馏。制氮塔底部引出含氧50%的富氧液空在制氮塔顶部压力氮气冷凝器中蒸发，一方面使使制氮塔顶部压力氮气液化回注制氮塔作为回流液，另一方面自身蒸发气化为富氧空气压力约为3-4bar，膨胀制冷后在主换热器与正流空气换热复热回收冷量后作为纯化器的再生气。从制氮塔顶部引出压力9.40bar，数量约30000NM3的压力氮气在主换热器换热复热后作为产品氮气。
    双塔双冷凝制氮工艺方案和双空压机单塔制氮工艺方案都是建立在古典单塔制氮流程（冷凝塔工艺方案）基础上的制氮工艺方案，双塔双冷凝制氮工艺方案通过第一制氮塔底部液空（富氧液空一）的部分蒸发，第二制氮塔液氮加压回注第一制氮塔的工艺方案，解决了氮气产品纯度和氮气提取率之间的矛盾，在制取较高纯度氮气产品的同时取得了较高的氮提取率（约67%），而双空压机工艺方案则是通过双空压机，增加了一个富氧空气热泵循环量。形成了双热泵冷凝工艺方案），提高了回流液气比，从而可以制取高纯度氮气产品，又通过第二空压机压缩空气氧含量升高至25%-30%进入制氮塔底部从而提高了富氧液空中的氧含量（约50%）从而取得较高的氮提取率（的75%），从本质上说双塔双冷凝工艺方案的第二制氮塔是精馏塔（相对于原料空气而言）而不是冷凝塔！双空压机工艺方案中的原料空气入口处和第二空压机循环压力富氧空气入口处之间是提馏段！
& P; ^6 ?$ Z0 y# e# ~+ `, i   双空压机单塔制氮工艺方案是一个非常高明的工艺方案，很好地解决了，制取较高压力氮气产品（压力9.3bar），较高的氮气提取率，高纯氮气产品三者之间的矛盾。其实已经是冷凝塔制氮工艺方案和精馏塔制氮工艺方案的中间过渡工艺方案（实际上是以空气，富氧空气为循环工质压力双热泵工艺方案）。双空压机单塔制氮工艺方案的制氮塔，就精馏而言，实际上分为三段，从制氮塔顶部至富氧液空引出口为一段，此段按照等摩尔流假定下实际回流液气比为0.625，通过富氧液空引出蒸发量及第二空压机（富氧空气深冷压缩机）压缩量调整）增加制氮塔液氮回注数量。使制氮塔顶部至富氧液空（含氧25%-30%）引出口之间的实际回流液气比比最小回流液气比大10%以上！从而可以用较少的理论塔板数得到符合指标高纯度氮气产品。从富氧液空引出口至带液压力空气入口处为一段，此段实际回流液气比为0.25！带液空气入口处至制氮塔底部富氧空气入口处为一段，此段实际上是提馏段，利用富氧空气空气对制氮塔压力空气入口处的下降液进行提馏，使下降液中的氧含量提高至50%左右，从而使整个制氮装置中氮提取率达到75%左右！又采用富氧液空蒸发富氧空气的深冷压缩，一方面降低了压缩功耗，一方面又减少液氮产品的数量。
   二元物系的标准常规精馏过程，既可以制取|高沸点组分产品（氧气）也可以制取低沸点组分产品（氮气），原则上两者的提取率都可以接近100%，无非是根据产品的价值，产品纯度，理论塔板数，能耗的水平考虑有所取舍而已，就空气而言，如果需要的是氮气产品，我们当然希望氮提取率越高越好（相应要求氧气纯度也高），出于理论塔板数有限，单位氮气产品能耗的考虑，不需要要求提取率达到100%，但90%的提取率是非常容易实现也是基本的要求（一般情况下能耗也是最优的。），决不可能只能达到75%！现在空分制氮装置之所以最高只能达到75%，是因为采用了古典单塔制氮流程一一空气冷凝制氮工艺方案而已。
7 x$ U3 A/ F3 t" Q    新单塔流程的制氮工艺方案和新单塔流程制氧工艺方案及新单塔流程同时制取氧工艺方案都是同一个开式热泵标准常规精馏流程。只不过根据产品方案而进行适宜性调整而已！
8 Y& v2 y5 M5 O0 u$ A( j    新单塔流程标准制氮工艺方案叙述如下，标准状态干空气50000NM3经两段压缩至4.2bar，纯化后压力4.1bar，其中2000NM3压力空气在压力空气增压机增压至38bar，在主换热器换热液化后节流减压进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中，其余28000NM3在主换热器换热后进入设置在制氮塔底部的压力空气冷凝器中冷凝为液空，与返流氮气换热过冷后送至制氮塔上部精馏段作为回流液，其余20000NM3空气经涡轮增压在主换热器换热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后的空气进入制氮塔参与精馏。从制氮塔顶部引出氮气64000NM3经主换热器复热后，其中36000NM3作为产品氮气，其余27000立方米压缩至2.1bar，在主换热器换热后进入设置在制氮塔液空入口处的氮气冷凝器中冷凝为液氮，液氮经与返流氮气换热过冷后，其中2000NM3作为液氮产品引出，其余25000NM3送至制氮塔顶部作为回流液。制氮塔是接近常压精馏塔。空压机压缩功耗3000KWh，氮气压缩功耗700KWh，压力空气增压机压缩功耗200KWh。即使不考虑液体产品扣除，每标准立方体制氮能耗低于0.1KWh。考虑液体产品扣除则每标准立方米氮气能耗在0.06-0.07kWh！
7 [3 J9 b/ h+ n* L* y- e) o8 t   如果制取高纯度氮气产品，新单塔流程标准工艺方案只要增加氮气压缩量即可实现，当然产品能耗有所升高，但由于是常压精馏塔可以采用规整填料理论塔板数很充足，幅度很小！
   如果希望直接制取压力氮气产品，新单塔流程可以采用内压缩工艺方案。
7 D$ t7 f6 i1 {3 N" ?% S   以上只是简单的比较，不涉及产品纯度和冷量平衡液体产品数量。但以上工艺方案时，新单塔流程液体产品数量最大。至于产品纯度，由于新单塔流程采用常压精馏塔，氧氮分离系数大且理论塔板数充足（理论塔板数85块左右），由于氧气纯度在90%左右属于氮一氩氧提馏分离，提馏段理论塔板数在10块以内，精馏段的可用理论塔板数在70块以上！

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  空气可以认为是近似氧氮二元物系，制取氮气产品当然可以在一个常压精馏塔中实现，同时氮提取率可以达到95%以上，现在却采用冷凝塔工艺方案，导致氮提取率最高只能达到75%，真是不知道该怎么说才好！

Yb2021

双空压机制氮工艺方案，原料压力空气入口处至第二空压机压力空气入口处之间实际上提馏段！通过第二空压机压力空气呈过热状态进入制氮塔底部，或者富氧空气（这样从制氮塔引出的是含氧约25%的富氧液空，第二空压机压缩的是含氧25%的富氧空气），从而便原料压力空气入口处至制氮塔底部（循环空气入口处）之间形成提馏段，从而使制氮塔底部的富氧液空中的氧含量达到45q-50%（高于制氮塔压力下与空气平衡的液相含氧量一一40%以下），从而提高了氮提取率！