卓跃光，王庆波

(开封空分集团有限公司，河南开封 475002)

随着工业的迅速发展，氮气在化工、电子、冶金、食品、机械等领域获得了广泛的应用。氮气是一种化学性质不活泼的气体，不易与其他物质发生化学反应。因此，氮气在冶金工业、食品冷冻、电子工业、化工工业中广泛用来作为保护气和密封气，一般保护气的纯度要求为99.99%，有的要求99.998%以上的纯氮。

表1 产品规格Table 1 Product specification

纯氮设备流程随着用户的氮气需求量的增加，现在有许多新的技术应用到空分设备中，流程形式也在推陈出新，根据不同用户也推出了针对性的流程，鉴于篇幅有限，下面对常用的低温精馏法制取纯氮的五种流程形式进行比较与分析，以供空分用户在选择工艺流程形式时进行参考。

表1列举了某套装置的产品要求。

根据用户提供的空分装置产品规格，对各种流程组织方案进行计算和比较后，提出以下五种具有代表性的流程组织方案。

1 方案一:传统单塔流程组织方式

从冷箱出来直接得到0.8 MPa的压力氮气送往用户。流程图见图1。

整套空分设备包括:空气过滤系统、空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统、液体贮存系统、仪控系统、电控系统等。

空气首先进入自洁式空气过滤器，在空气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、级间冷却器冷却后进入空冷塔或者冷气机组。

空气在进入分子筛吸附器前在冷气机组或者空冷塔中冷却，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。进入空冷塔的冷却水来自循环水，进入空冷塔的冷冻水，在水冷塔中利用干燥的出分馏塔污氮气进行冷却，然后进入空冷塔上部。

分子筛纯化系统由两台分子筛吸附器和两台电加热器或者蒸汽加热器组成，分子筛吸附器吸附空气中的水分、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。再生气的加热由电加热器或者蒸汽加热器完成。

净化后的空气进入分馏塔，通过主换热器、液化器与返流低温废气和产品氮气进行热交换，冷却后进入精馏塔底部，经过精馏分离为产品氮气和富氧液空，塔底液空经过冷后节流进入冷凝蒸发器与氮气相变换热，液空蒸发为废气，氮气冷凝后大部分作为精馏塔回流液，小部分作为液氮产品抽出送入液体贮槽。

废气由冷凝蒸发器顶部引出经过冷器、液化器复热后去透平膨胀机膨胀，给装置补增冷量，膨胀废气经过冷器、液化器、主换热器复热至常温后出分馏塔，部分作为纯化系统再生气，其余进入预冷系统。

产品氮气从精馏塔塔顶引出，经液化器、主换热器复热至常温出分馏塔。

图1 方案一:传统单塔流程Fig.1 Option 1:conventional single-column process

2 方案二:传统单塔流程+膨胀机增压端增压组织方式

从冷箱得到0.72 MPa的压力氮气，再经过膨胀机增压端增压到0.8 MPa后送往用户。

方案二与方案一相比是利用膨胀机的增压端将产品氮气增压，而方案一采用风机、油或者电制动。其余与方案一相同，详见图2。

3 方案三:单塔+氮压机外压缩流程组织方式

从冷箱得到0.4 MPa的压力氮气进入离心或者活塞氮气压缩机压缩至0.8 MPa送给用户，其余与方案一相同，详见图3。

4 方案四:双塔+氮压机外压缩流程组织方式

从冷箱得到0.005 MPa的压力氮气进入活塞或者离心氮气压缩机压缩至0.8 MPa，送给用户。

流程组织详见图4，与常规的外压缩流程形式相同，不再详细描述。

5 方案五:双塔+氮压机外压缩流程组织方式

从冷箱得到0.25 MPa的压力氮气进入离心氮气压缩机压缩至0.8 MPa，送给用户。流程组织详见附图5。

此种流程配有高压塔与低压塔，两种精馏塔都带有冷凝器，结构形式与方案一基本相同，操作压力分别为0.7 MPa与0.3 MPa。氮气是从低压塔的顶部抽出，经过过冷器、换热器复热后送出冷箱。

针对五种方案，计算各自方案的能耗、投资及运行成本，如表2所示。

从以上各种流程形式对比情况来看，方案一的流程形式操作比较简单、方便，采用直接提高空气压缩机的压力来得到氮气产品，由于下塔操作压力高，从而主冷的操作压力相应较高，可以达到0.4 MPa，如果废气全部膨胀，可以多提取一定比例的液氮，如在上述压力、氮气流量下，可以产出大约2900 Nm3/h的液氮，当然空气压缩机的流量也需要相应增加。此种流程形式不需要增加额外的机器，膨胀机采用风机制动，氮气送出压力比较稳定。

缺点是能耗较高，氮气提取率低。如果企业有自己的发电厂或者采用汽轮机拖动空气压缩机而且价格便宜，此种方案为首选。

表2 五种方案的对比结果Table 2 Comparison among five options

方案二比方案一操作较复杂，产品氮气从膨胀机的增压端抽出，利用了膨胀机的膨胀功来提高产品气的压力，降低了空气压缩机的排气压力，比方案一节省部分能耗。

缺点是其产品气的压力需要根据膨胀机的做功来决定，在空分设计条件下，膨胀量越多，产品气增加压力越多，空压机排气压力降低，反之相反。此种流程形式的缺点是如果空分在设计工况下，氮气产品压力可以达到0.8 MPa，但是如果空分液体量减少或者降低负荷运转，这时产品气压力也要跟着变化，从而导致后续气源的不稳定性，和方案一一样，这种流程能耗较高，但是相对方案一较低。

方案三的分馏塔系统流路组织形式与方案一基本相同，只是增加了一台氮气压缩机。这种方案空气压缩机排气压力0.48 MPa，从冷箱出来的产品气为0.4 MPa，然后经过氮气压缩机压缩至0.8 MPa。这种流程氮气提取率较高，空气压缩机排压降低。增加了一台氮气压缩机投资增加约400万，但是由于年运行成本较低，半年就可以回收，所以值得采用。

缺点是另外增加了一台活塞式或者离心氮气压缩机，操作较复杂。另外由于下塔操作压力为0.42 MPa，从而主冷操作压力约为0.15 MPa，这样膨胀机机前压力约为0.14，机后压力一般为0.035 MPa，膨胀比较小，从而膨胀量较大导致膨胀机叶轮较大。在大型纯氮空分上就需要采用2台以上的膨胀机。如果用户要求压力大于1.0 MPa，此种方案具有一定的竞争优势。

方案四是常规的外压缩流程形式，可以产氧、氮、液氧、液氮，同时可以副产液氩。低压氧气与氮气分别从上塔的顶部与底部得到，从冷箱出来后压力约为常压，一般需要压缩机来提高产品气的压力供用户使用。此种流程形式为常规外压缩空分设备，流程形式比较成熟，可以产出一定比例的氧气，适合用户需要氧气或者周边有需要氧气或者液氧的企业。其投资最多，能耗一般。

方案五是在方案一的基础上改进过来的流程形式，可以生产两种氮气产品，压力分别为0.6 MPa与0.25 MPa，如果用户需要0.25 MPa左右的低压氮气，采用此种流程形式具有一定的优势。与上述四种方案相比，其能耗一般，投资较多，操作较复杂，产液量较少，另外氮气压缩机要进行非标设计，投资成本较高。

从以上方案比较可以看出，如果需要大液体的时候方案一、二比较适合，如果液体比例较少，方案三、四、五优先选用。

以上列举了最常见的五种方案组织形式，在比较时也是限制氮气压力为0.8 MPa，但是实际上纯氮流程的产品气压力一般从0.005～3.0 MPa不等，所以采用何种流程形式需要用户及空分厂家根据实际情况、实际计算来找出适合用户自己的方案，既节省投资、能耗，又为用户带来方便。