提高单塔返流制氮设备氮气提取率的探讨
氮气作为保护气体,广泛应用于石油化工、金属热处理、电子、化纤、食品贮藏、制药、浮法玻璃、橡胶硫化和轮胎粉碎等行业。近十年来我国经济高速发展,对氮气的需求成倍增长,促进了空气低温精馏制氮技术不断发展。制氮流程,由于具有氮气压力高(略低于入塔空气压力)、不需要氮气压缩机、操作简单、运行稳定、易于实现自动化控制等优点,被用户广泛应用。空气经净化处理后进入精馏塔,在主换热器中被返流的产品氮气与富氧气冷却到露点温度后进入精馏塔进行精馏,在精馏塔的顶部得到高纯氮气;从塔底抽取一部分富氧液空,节流后进入冷凝蒸发器,蒸发后的气体在主换热器中复热后再进入膨胀机中膨胀,以提供制氮设备的绝大部分冷量。不设置液空过冷器的传统单塔返流，该制氮流程提供的产品氮气压力略低于入塔空气压力。由于回流比较大,氮气的氧含量可小于0.1×10-6,并可生产少量液氮。这种制氮流程的单位能耗为0.28～pan>0.35kW?h/m3N2,氮气提取率根据产品压力不同,一般在45%～60%。氮气提取率与精馏塔压力、理论塔板数有关,通过模拟计算可以看出:氮气压力越低,氮气提取率越高;理论塔板数越多,氮气提取率越高;氮气压力越高,所需理论塔板数越多。随着理论塔板数的增多,氮气提取率提高变得缓慢。对于不带液空过冷器的单塔返流制氮流程,当氮气压力为0.45MPa时,精馏塔理论塔板数经济的设计约需45块,氮气提取率为58%;当理论塔板数增加至52块时,氮气提取率为58.8%;当理论塔板数增加至62块时,氮气提取率为59.8%;当理论塔板数增加至65块时,氮气提取率为59.9%。当氮气压力在0.8MPa时,精馏塔理论塔板数经济的设计约需55块;超过所需的理论塔板数后氮气提取率基本无变化,而塔板阻力按比例增加,能耗略有增加。通过以上计算可以看出,合理地设置液空过冷器及塔板数量,可以最大限度地提高氮气提取率,即使在相同的理论塔板数下氮气提取率也提高了6.2%。因此,采用膨胀后富氧气和出冷凝蒸发器的带压富氧气同时过冷,加大了液空的过冷度,使冷量转移至冷凝蒸发器后精馏塔的液气比有较大幅度提高,从而提高了氮气提取率,降低了产品能耗。4单塔返流制氮流程的比较单塔返流制氮流程(氮气压力0.8MPa)的氮气提取率等技术参数比较见表1。设置液空过冷器流程由于膨胀前温度降低,膨胀后温度距液化温度较近,对于气体轴承透平膨胀机来说,为确保其稳定运行,膨胀后的温度比液化温度高5～6为宜。由于单塔返流制氮流程的冷凝蒸发器蒸发压力较高,维持冷量平衡所需的进膨胀机的富氧气量较小,部分气体通过旁通阀放空,因此,可以充分利用该部分能量制取液氮产品。通过计算可知,当液氮产量为300L/h时,入塔空气量为5610m3/h,生产液氮所需增加的空气量仅为480m3/h;当液氮产量为300L/h时,入塔空气量为5280m3/h,生产液氮所需增加的空气量为470m3/h,包括空压机、空气预冷系统、分子筛纯化系统功耗增加约58kW,折算制取液氮电耗约为0.44kW.h/kg(已考虑液氮由0.85MPa减压到常压时,汽化损失约26%)。5　结束语随着国家节能减排政策的不断推进,降低产品能耗也是空分行业共同追求的目标。事实证明,只要不断地探索和钻研,改进、完善制氮流程,就能够进一步提高氮气产品的提取率,降低生产氮气产品的能耗,为用户创造更高的经济效益。