膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程

膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程江楚標(biāo)（中國空分設(shè)備公司總師室，杭州市東新路15號2，310004）【摘要】氬的生產(chǎn)已越來越得到重視，膨脹空氣進(jìn)下塔的流程可以得到?％的氬提取與膨脹空氣進(jìn)上塔的流程作了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。圖1表1參1。主題詞：膨脹空氣進(jìn)下塔氬提取率技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較氬的產(chǎn)量要比氧的產(chǎn)量少得多，但氬具有較大的價值，在某些情況下，對一個工程常常起決定性的作用。分析1983年到1990年全世界氧、氬產(chǎn)量的增加，可以得到一個有意義的答案：在這段時間里，氧的需求量一直比較平穩(wěn)，而氬的需求量卻猛增。據(jù)統(tǒng)計，在這七年中，氬、氧產(chǎn)量的凈增加量分別是47億立方英尺和1200億立方英尺，相當(dāng)接近于空氣中氬與氧之比（1％：21%）。這充分說明了從事空氣低溫分離流程設(shè)計的工程師們，這些年來專心致力于提高空分裝置氬提取率的原因。另外，在一臺老式的、低效率的空分裝置被淘汰時，代替它的新設(shè)備肯定要能同時生產(chǎn)氬，并要盡可能獲得高的氬提取率，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的［1］。據(jù)參考文獻(xiàn)［1］報道：日本1995年氧的銷售量為15.35億m3、氬的銷售量為1.61億m3,氬的銷售量為氧的銷售量的10．49％，而空氣中氬的含量僅為氧含量的4．45％，說明日本的氬一大半是從國外進(jìn)口的。美國1995年氧的銷售量是175.6億m3、氬的銷售量是5.18億m3,估算得美國全部空分裝置的氬提取率超過65％（按銷售量=生產(chǎn)量計）。我國空分裝置的用戶以往只注意和重視滿足企業(yè)本身的需要,較少考慮社會的需要,缺少市場觀念,使不少裝置選定的設(shè)計參數(shù)不能發(fā)揮出裝置的潛力,來提高裝置的綜合經(jīng)濟(jì)效益。這種情況現(xiàn)在還常常出現(xiàn),這是非?？上У?。有些企業(yè)就不同,他們有很強(qiáng)的市場觀念,把空分裝置的液體產(chǎn)量和氬產(chǎn)量提高到極限,在滿足企業(yè)自身的需求后,積極向市場推銷,取得了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。在很短的時間內(nèi),就收回了所增加的投資甚至全部的沒備投資。本文介紹的是一種高氬提取率的空分流程,適合于用氬量大或者周邊氬的銷售市場大的企業(yè)。對采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機(jī)、膨脹空氣進(jìn)卜塔的常規(guī)空分流程來說,氬的提取率在很大程度上取決于進(jìn)上塔的膨脹空氣量。進(jìn)上塔的膨脹空氣量少,氬的提取率高；進(jìn)上塔的膨脹空氣量增大,氬的提取率隨之下降；進(jìn)上塔的膨脹空氣量達(dá)到某個界限時,氬的提取率將較大幅度下降。另一方面,現(xiàn)代空分裝置都要求生產(chǎn)一定數(shù)量的液體,作為短期停機(jī)處理時的備用氣源,也是現(xiàn)在日趨普及的向市場出售工業(yè)氣體的先進(jìn)手段。為了生產(chǎn)液體,膨脹空氣量勢必要增大,氬的提取率就要下降,這是一對矛盾。膨脹空氣進(jìn)上塔的流程,只能在氬提取率和液體產(chǎn)量之間進(jìn)行權(quán)衡,求取一個較好的平衡點(diǎn),但不能解決矛盾。為—了解決這個矛盾,既能生產(chǎn)較多的液體,又能獲得高的氬提取率,可以采用膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程。該流程的示意圖見圖1。.L吸附器組11.L吸附器組11一增壓凱T-膨脹機(jī)E一主換熱器%一下塔上塔K一主冷凝蒸發(fā)器vs一枚冷卻器入下塔參與精餾過程。既然是膨脹空氣進(jìn)下塔，原料空氣的壓力當(dāng)然要比常規(guī)流程高。根據(jù)需生產(chǎn)液體量的多少及膨脹機(jī)的效率和增壓機(jī)的增壓比，空氣出空透的壓力約在8.5?10bar之間變化。這種膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程，原料空氣中的氬基本上都進(jìn)入液空，然后被送入上塔，因此可以得到很高的氬提取率。根據(jù)氧純度和氧提取率的不同（現(xiàn)代空分裝置，氧純度均在99.6％及以上，氧提取率均在99％左右，因此變化不大），這種流程氬的提取率可以達(dá)到90％~92％。這是膨脹空氣進(jìn)上塔的流程不可能達(dá)到的。價值高的氬產(chǎn)量高，經(jīng)濟(jì)性當(dāng)然好?？墒?，為了得到這么高的氬提取率，我們是付出了提高加工空氣壓力這個代價的。加工空氣壓力提高，功耗自然要上升，空氣透平壓縮機(jī)造價也要提高。兩相比較權(quán)衡，到底是不是合算呢?筆者對此進(jìn)行了詳細(xì)的空分流程計算、精餾計算及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。計算了16000m3/h（氧）和31000m3/h（氧）兩種規(guī)格的這兩種流程：兩種流程所取的設(shè)計參數(shù)完全相同，生產(chǎn)的液體產(chǎn)品量也相同。對膨脹空氣進(jìn)上塔的流程，膨脹空氣量控制在總分離空氣量的15％左右，精餾計算可得的氬提取率約在72％左右。對這兩種流程的空氣透平壓縮機(jī)，請德國德馬格公司做了報價，見表1（流程組織中均帶上了氧氣增壓器，為使出冷箱的氧氣有較高的壓力，故適當(dāng)提高了加工空氣的壓力）。膨脹空氣進(jìn)上塔的空分裝置，氬提取率按72%計算，氬產(chǎn)量分別為516m3/h（16000m3/h空分）與1021m3/h（31000m3/h空分）。膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程，氬提取率按90%計算，氬產(chǎn)量分別為645m3/h（16000m3/h空分）與1276m3/h（31000m3/h空分）。也就是說，膨脹空氣進(jìn)下塔的流程可比膨脹空氣進(jìn)上塔的流程多生產(chǎn)氬129m3/h（16000m3/h空分）與255m3/h（31000m3/h空分）。但每小時要多消耗1040kW（16000m3/h空分）與2030kW（31000m3/h空分）的電能。表1兩種流程、兩種規(guī)格空透之比較

（德國德馬格公司提供）空氣透平壓縮機(jī)排量，m3/h78000154000空氣透平壓縮機(jī)則式VK單軸VK單軸P排=6.4bar軸功率，kW647065101274012740冷卻水量，m3/h450452920920P排=9.0bar軸功率，kW751075801477014860冷卻水量，m3/h635638127012959bar排壓比6.4bar排壓的軸功率高，kW10401070203021209bar排壓比6.4bar排壓的造價貴，萬D.M.45455555注：其它設(shè)計參數(shù)為：吸入壓力0. b吸入溫度32°。，相對濕度7,冷卻水溫度30℃現(xiàn)在這本賬就好算了。不同的用戶、不同的地點(diǎn)，由于電價不同，氬的銷售價格不問，得出的結(jié)論是不盡相同的。舉例來說，當(dāng)氬的銷售價為5元/，電費(fèi)為0.5元/kW-h時。膨脹空氣進(jìn)下塔的空分裝置每小時可多得收益(129義5)(1040義0.5)125元/h(1000/h空分)，約兩年半可收回空透多支付的投資。這就是說，在電費(fèi)和氬銷售價均屬一般的地方，采用膨脹空進(jìn)下塔的流程無疑是合算的。膨脹空氣進(jìn)下塔的流程和膨脹空氣進(jìn)上塔的流程，其設(shè)備的總投資尚沒有作過確切的比較，定性地說，膨脹空氣進(jìn)下塔的流程，空氣透平壓縮機(jī)要貴一些，膨脹機(jī)也可能略貴一些。但由于加工空氣壓力提高，空冷塔、純化器等壓力容器及空氣流路的管道、閥門等尺寸要減小，造價會降低一些、上下塔、板翅式換熱器基本一樣。因此，總投資也應(yīng)該相差無幾，即使略貴一些也貴不到哪里去。膨脹空氣進(jìn)下塔的流程還有一個優(yōu)點(diǎn)，就是它比膨脹空氣進(jìn)卜塔的流程更容易取消冷水機(jī)組。這是因?yàn)榕蛎浛諝膺M(jìn)下塔的流程加：工空氣壓力高，進(jìn)純化器的空氣壓力電高，所以空氣中含水分少，分子篩對二氧化碳的動吸附值也會提高，可減少吸附劑量及再生氣量，這為取消冷水機(jī)組無疑提供了更好的條件，并為降低造價和降低電耗又創(chuàng)造了一個可能性。對于氬大部分自用的用戶，建議采用氬的內(nèi)壓縮流程，即用液氬泵將液氬加壓到使用壓力(如0