内压缩流程空分的换热与精馏研究

蒋 旭，厉彦忠

（1. 中空能源设备有限公司，浙江 杭州 310051； 2. 西安交通大学，陕西 西安 710049）

内压缩流程空分的换热与精馏研究

蒋 旭1，厉彦忠2

（1. 中空能源设备有限公司，浙江 杭州 310051； 2. 西安交通大学，陕西 西安 710049）

分析和讨论了内压缩空分设备的氧氮两组分、氧氮氩三组分及氧氩两组分和氮氩两组分的相平衡，精馏部分的上塔、下塔、粗氩塔、精氩塔的精馏以及高压主换热器、低压主换热器、过冷器及主冷凝蒸发器等换热设备。希望能促进空气分离设备在理论方面的发展。

空分设备；相平衡；相平衡；换热

内压缩流程经过不断完善和发展，其所涉及到的相平衡、精馏及换热方面都要比传统外压缩要复杂的多，空分设备冷箱内的换热与精馏都相互作用又影响，由于内压缩的产品是在冷箱内通过液体泵压缩后经过高压换热器复热出冷箱的，其工作压力往往都超出氧氮的临界点，液体在超临界状态下进行换热也是内压缩的一大特点。【1】而在精馏方面，由于产品种类及获取方式的不同，导致塔设备的物料进出口与外压缩相比有很大的变化；换热的情况相比精馏更要复杂，如今应用到空分低温换热的一般首选板翅式换热器，其可以满足多股流、相变与无相变及超临界状态下的换热形式，这些对于外压缩都是未出现过的换热方式，所以对内压缩流程的换热方式的研究对进一步加深对其的理解有重大意义。

1 内压缩空分流程工艺

工艺简述：空气首先进入自洁式空气吸入过滤器，在空气吸入过滤器中除去灰尘和其它颗粒杂质，然后进入主空压机，经过多级压缩后进入空冷塔，压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。增压机则对部分净化后的空气或者氮气进一步增压，增压后的介质去膨胀机系统，或被冷却为高压液体为精馏系统提供冷量。

空气在进入分子筛吸附器前在空冷塔中冷却，以尽可能降低空气温度减少空气中水含量从而降低分子筛吸附器的工作负荷，并对空气进行洗涤。进入空冷塔上部的冷冻水，冷水机组进行冷却后，然后再进入空冷塔上部。

分子筛纯化系统由两台分子筛吸附器、蒸汽加热器组成，并提供一台蒸汽加热器作为蒸汽加热器的备用装置。分子筛吸附器吸附空气中的水份、二氧化碳和一些碳氢化合物，两台分子筛吸附器一台工作，另一台再生。再生气的加热由蒸汽在蒸汽加热器中完成。

出吸附器的空气分为两部分：一部分直接进入主换热器冷却后进入下塔；另一部分通过空气增压机进一步压缩，中抽出一股经过膨胀机增压端的压缩及后冷却器的冷却，再进入主换热器被冷却，经膨胀机膨胀后进入下塔，从空气增压机末级排出的空气经增压机后冷却器冷却后送入冷箱经主换热器冷却变为液体后节流进入下塔。

经过下塔、上塔、粗氩塔与精氩塔精馏后得到所需产品复热后送出冷箱。

2 多组分相平衡

深冷法分离空气即在低温状态下利用各组分沸点的不同而进行分离的过程。相平衡存在于两组分以及多组分的精馏分离当中，两组分以及多组分之间的相平衡是空分精馏的基础【2】。

2.1 不同压力下氧氮两组分相平衡图

由图1可以看出压力越高，精馏温差越小，精馏效果会越差；压力越低，精馏温差越大，精馏效果会越好。

图 1 不同压力下氧氮两组分相平衡图Fig.1 The oxygen and nitrogen under different pressure two components phase equilibrium diagram

图 2 氧氮氩三组分相平衡图Fig.2 Oxygen and nitrogen argon three components phase equilibrium diagram

下塔也叫压力塔，一般压力塔的精馏选择筛板塔，填料塔在压力高时精馏效率并没有优势，筛板塔具有高度较低，精馏效率较为稳定的特点，因此应用较多。但是填料塔由于类型不断地改进，同时变负荷范围较宽，与筛板塔相比塔径小而在大型空分上应用较多。

由图 1可以看出氧组分与氮组分在低压下精馏温差大，因而精馏效果好。

上塔也叫低压塔，多采用填料塔，因为填料塔在低压下的精馏效果要优于筛板塔，而且上塔的进出料较多，要求变负荷范围大，并且填料塔阻力只有筛板塔的 1/3，具有极大的优势。

2.2 氧氮氩三组分相平衡图

首先，“概念”要求我们采用自上而下的视角，从概念意义出发来看体现形式。六种及物性过程，序列、图形和成分三个级阶，实体、过程、性质等性状，从不同的角度对经验进行识解和描述，我们认为这些都可纳入概念意义的范畴。正是基于某个概念意义，我们思考用什么样的词汇语法形式来体现。需注意的是，同一情景或经验是概念之源，一致式和隐喻式体现的是同一基底概念，如3.3节所述，各自的意义虽相似，却存在不容忽视的差异，因此，我们应该把Halliday说的“相同的所指”改为“相似的所指”。

由图2可以看出氩组分的精馏温度在氮组分与氧组分之间，并且接近氧组分，所以一般只要氮产品或者只要氧氮产品的空分设备，把氩组分划归氧组分当中，氩组分对氧组分精馏的影响随着氧纯度的提高而愈加明显。

3 低温精馏

精馏对于空分设备来说是借助于筛板或者规整填料等载体进行的低温工况下的各组分的传质传热，从而获取产品的过程【3】。

精馏塔的液相负荷：对于不同组分而言，氩组分质量较重，氮组分较轻，氧组分居中（精馏各组分的液体密度为氧：1 140 kg/m³；氮：810 kg/m³；氩：1 410 kg/m³），所以由于其组分比例得不同，对液相负荷的重度影响也不同。

对于塔板气液负荷值来说：对于气相而言上升气先低后高，原因是氧组分的汽化潜热较大，液化能力较氮组分强，因而气相先低后高，也即精馏塔从底部到顶部，氧组分浓度渐小，这也是上述状况出现的原因。（各组分的汽化热：氧：213.65 kJ/kg；氮：199.25 kJ/kg；氩：164.09 kJ/kg）

对于下流的液相而言，氩组分的液体密度最大，氧组分次之，氮组分最小；所以氩组分浓度大的塔板液体质量负荷较大；而对于氩组分浓度较小的塔板，质量负荷较小。

图 3 下塔沿塔板上的液气负荷值Fig.3 Liquid and gas load values along the plate in lower tower

第1块抽液氮；第2块塔板抽出少量压力氮气；第 18 块抽污液氮；第 36 块抽出贫液空；42 块抽富氧液空；空气由42块进；氩组分较集中在贫液空出口处；气相由于氧的汽化潜热较氮气的汽化潜热大，所以上升气质量负荷逐渐增大【4】。

3.2 上塔氧氮氩三组分沿塔板浓度分布截面图(图 4)

图 4 上塔氧氮氩三组分沿塔板浓度分布截面图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气负荷值(图 5)

图 5 上塔沿塔板分布的液气负荷值Fig.5 Liquid and gas load values along the plate in upper tower

顶部第1块抽氮气；第8块进污液氮，抽污氮气；第 18 块贫液空进；第 24 块液空进；第 30 块液空蒸汽进；第47块氩馏分抽出，液氩馏分回流，底部第81块抽液氧。

4 低温换热

图 6 主冷凝蒸发器换热图Fig.6 Main condenser evaporator heat exchange maps

液氧内压缩高压主换热器属于超临界状态换热，液氧内压缩低压主换热器属于气-气换热，一般无相变或者微量带液体，过冷器沿长度属于液-气换热，无相变。主冷凝蒸发器的换热最复杂，相变及无相变的各种换热类型都存在(图 6)。

下 塔 顶 部 压 力 5.78 bar,饱 和 态 氮 气 （ 组 分N2:0.999997;AR:0.0000003）,饱和温度 95.865 K。

上塔底部压力 1.4bar时，板式顶部液氧（组分O2,0.996,Ar:0.004），饱和温度 93.27 K,由于有 2.2 m的液柱静压，板式底部压力 1.65 bar（此压力下液氧饱和温度 95.07 K），液氧处于过冷态，过冷度 1.8K，在板式中间随着液氧的压力降低（液柱静压从底部到顶部，先为全液体，出现气泡后，逐渐增多，成为气液混合物，气体逐渐增多，到板式顶部大约有31%的液体汽化，液氧循环倍率为 3.225，（一般液氧循环倍率取 3～5 即可））;对数温差 1.02 K，热端温差 1.838 K,冷端温差 2.18 K.最小温差 0.5 K;（一般主冷凝蒸发器的对数温差只需大于 0.8 K 即可满足）。

液氧的换热为先为过冷态换热，然后随着压力降低，温差扩大，进行变相换热，随着压力的降低，饱和点也随着降低，温差逐渐扩大，出口地方温差扩大到 1.86 K,(95.86～94.0 K)，但是由于液相有向上的压力头，致使上段液相不能完全接触到板式壁面，能接触到的液体汽化后，在壁面形成边界层，与板式壁面换热温差渐渐缩小，换热微弱，同时气-气无相变换热效果差，所以在板式上段出口地方换热又转弱。

所以主冷板式适当有个倾角实际上对换热是有利的（可让主冷板式上部实现部分气液分离，这样液相与板式接触更充分些），但是液氧循环倍率会减小，这是不利的地方。另外降膜主冷的板式也可倾斜，这样更有利于增强换热减小换热面积与控制循环倍率。

5 结束语

随着我国冶金及化工行业的发展，内压缩流程空分设备的应用也变得更加广泛，其流程形式具有多样化的特点，产品获取方式可以有多种，使得精馏与换热要比传统外压缩要复杂许多，对于设计及运行操作等方面的理解与应用出现了新的难题，这也是气体分离行业发展的一个瓶颈。【5】内压缩空分流程作为新一代流程，应用 40 余年来，经过不断地创新和发展，已经臻于成熟。

换热与精馏是空分设备的两大主题，空分设备低温下的换热型式，低温下的精馏载体，其相互影响又相互作用，而内压缩空分流程的自身包容性也使得这些相互影响，相互作用的因素又完美的结合在了一起，使得空分流程不断推陈出新，向前发展，或许这正是内压缩空分流程的生命力之所在。

［1］蒋旭．带液体空分设备的流程选择[J].气体分离，2013（4）：17-27.

［2］张祉祐.低温技术原理与装置[M]. 西安:西安交通大学出版社,1996.

［3］黄建斌.工业气体手册[M].北京:化学工业出版社,2003.

［4］蒋旭，王忠建，刘景武.制氩系统原理与操作浅析[J].气体分离，2013（2）：21-28.

［5］蒋旭，丁友胜，厉彦忠，赵小莹．钢厂应用空分装置的配套[J].通用机械，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文献标识码： 1671-0460（2014）07-1224-03

2014-01-23

蒋旭（1983-），男，浙江杭州人，工程师，2009 年毕业于西安交通大学化工机械专业，研究方向：从事空分设备设计工作。E-mail：jiangxukk@163.com。