高氮装置工艺方案优化

摘 要

摘要：对某1500m3/h高氮装置的工艺方案进行优化比较，提出了7个工艺流程方案，比较了各方案的特点，确定了合理的方案。关键词：制氮；高氮装置；工艺方案；优化Optimization of Process Sch
摘要：对某1500m3/h高氮装置的工艺方案进行优化比较，提出了7个工艺流程方案，比较了各方案的特点，确定了合理的方案。
关键词：制氮；高氮装置；工艺方案；优化
Optimization of Process Scheme of High Nitrogen Equipment
RUAN Jialin，GE Haojun，NAN Dengyuan
Abstract：A process scheme of high nitrogen equipment of 1500m3/h is optimized and compared.Seven process schemes are put forward，the characteristics of various schemes are compared，and the rational scheme is determined.
Key words：nitrogen production；high nitrogen equipment；process seheme； optimization
    用户根据生产工艺需要将气体产品的要求提供给设备供应商，供应商将依据用户的要求进行方案优化。对于有些装置，不同的供应商的方案基本相同；而有些装置，不同的供应商提供的方案相差会很大，可能是能耗相差较大、也可能是机组配置相差较大，还可能操作大不一样。对于那些方案差别较大的装置用户该如何选择呢？下面以南京某1500m3/h(其中1400m3/h氮气压力为0.3MPa，100m3/h氮气压力为0.65MPa)高氮装置为例进行分析。
1 用户产品要求
用户产品要求(即产品氮气参数)见表1。
表1 产品氮气参数
氮气产品
流量/(m3·h-1)
压力/MPa
02的体积分数/10-6
氮气1
1400
0.30
≤1
氮气2
100
0.65
≤1
2 各种方案介绍[1～2]
   常规高氮装置预处理系统的原理和流程基本相同(只是流股参数有些不同)。主要配置为自洁式空气过滤器(AF1001)、空压机(C1001)、预冷机(RU1101)、吸附器(MS1201和MS1202)、加热器(E1201)、消音器(SL1201)。预处理系统的工艺流程见图1。
 

 
    空气进入AF1001，滤去尘埃和机械杂质，进入C1001进行压缩，经末级冷却器冷却到约40℃后进入RU1101，冷却到8℃后进入纯化系统(主要由MS1201、MS1202、E1201、SL1201和阀门、管件等组成)，吸附除去水分、二氧化碳、碳氢化合物。纯化系统中的MS1201和MS1202为两台立式容器，均采用双层床结构，当一台运行时，另一台则由来自冷箱系统的部分富氧空气通过E1201加热后进行再生，再生后的富氧空气和冷箱系统来的其余部分富氧空气汇合后进入SL1201放空。
    出纯化系统的空气进入冷箱系统，由于冷箱系统随着方案不同变化较大，因此，以下各方案的工艺流程及方案叙述只针对不同的冷箱系统进行介绍。
2.1 方案1
    方案1冷箱系统工艺流程见图2。
 

    该方案采用单塔精馏，正流膨胀。主要配置为主换热器(E1)、精馏塔(C1)、冷凝蒸发器(KI)(其作用是将精馏塔顶的气体介质冷凝成饱和液体，同时将自身的饱和液体蒸发成气体)、过冷器(E2)、膨胀机(EXP1)、氮压机(NC101)。流程的特点是：氮气1直接由C1抽取并经E1复热获得，氮气2直接由C1抽取并经E1复热后，再经NC101加压获得。
   来自纯化系统的空气(3286m3/h，0.52MPa，8℃)分两路进入冷箱系统内的E1，一路被返流气体(富氧空气和氮气)冷却到约-155℃后，进入EXP1膨胀制冷后进入C1的底部；另一路被返流气体冷却到露点的空气经节流阀节流后也进入C1的底部，进行精馏。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C1的顶部抽出1500m3/h氮气经E1复热后，其中1400m3/h作为氮气1供用户，其余100m3/h经NC101加压后作为氮气2供用户。C1顶部的其余氮气进入C1顶部的K1，被冷凝成液氮后，除部分作为液氮产品外，其余作为C1的回流液返回C1参加精馏。在C1底部产生的富氧液空在E2被从K1返回的富氧空气过冷，再经节流后进入K1为C1提供冷量，将C1顶部的氮气冷凝成液氮。在进入K1中的氮气被冷凝成液氮的同时，节流后进入K1中的富氧液空被气化为富氧空气，富氧空气依次经过E2和E1被复热后送入预处理系统(纯化系统)。
2.2 方案2
    方案2冷箱系统工艺流程见图3。
 

    此方案采用两塔精馏，正流膨胀。主要配置为主换热器(E1)、精馏塔(C1)、冷凝蒸发器(K1)、过冷器(E2)、膨胀机(EXP1)、精馏塔(C2)、冷凝蒸发器(K2)。流程的特点是：氮气1直接由C1抽取并经E1复热获得，氮气2直接由C2抽取并经E1复热获得。
    来自纯化系统的空气(3318m3/h，0.7MPa，8℃)分两路进入冷箱内的E1，一路被返流气体(氮气1、氮气2、富氧空气)冷却到约-150℃后，进入EXP1膨胀制冷后进入C1的底部；另一路被返流气体冷却到露点的空气进入C2的底部，进行精馏。在C2中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C2的顶部抽出100m3/h氮气，经E1复热后作为氮气2供用户。C2顶部的其余氮气进入C2顶部的K2，被冷凝成液氮后作为C2的回流液。在C2底部产生的富氧液空经节流后送入C1底部。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C1的顶部抽出1400m3/h氮气，经E1复热后作为氮气1供用户。C1顶部的其余氮气进入K1，被冷凝成液体后，除部分作为液氮产品外，其余作为C1的回流液。在C1底部产生的富氧液空在E2被从K1和K2返回的汇合富氧空气过冷，分别节流后，进入K1(为C1提供冷量，将C1顶部的氮气冷凝成液氮)、K2(为C2提供冷量，将C2顶部的氮气冷凝成液氮)。在氮气被冷凝成液氮的同时，富氧液空被气化为富氧空气，富氧空气依次经过E2和E1被复热后送入纯化系统。
2.3 方案3
   方案3冷箱系统工艺流程见图4。
 

   该方案采用单塔精馏，正流膨胀。主要配置为主换热器(E1)、精馏塔(C1)、冷凝蒸发器(K1)、过冷器(E2)、膨胀机(EXP1)、液体泵(B1)。流程的特点是：氮气1直接由C1抽取并经E1复热获得，氮气2直接由C1抽取并经B1加压后，再经E1气化获得。
   来自纯化系统的空气(3360m3/h，0.54MPa，8℃)分两路进入冷箱内的E1，一路被返流气体冷却到约-155℃，进入EXP1膨胀制冷后，进入C1的底部；另一路被返流气体冷却到露点的空气经节流阀节流后也进入C1的底部，进行精馏。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C1的顶部抽出1400m3/h氮气，经E1复热后作为氮气1供用户。C1顶部的其余氮气进入K1，被冷凝成液氮后分成三股，一股经B1加压后送入E1，气化后作为氮气2供用户；另一股作为液氮产品供用户；其余的液氮作为C1的回流液参与精馏。在C1底部产生的富氧液空在E2被K1返回的富氧空气过冷，节流后进入K1，为C1提供冷量(将C1顶部的氮气冷凝成液氮)；在氮气被冷凝成液氮的同时，富氧液空被气化为富氧空气，富氧空气依次经过E2和E1，被复热后送入纯化系统。
2.4 方案4
    方案4冷箱系统工艺流程见图5。
 

    此方案采用双塔精馏，返流膨胀。主要配置为主换热器(E1)、精馏塔(C1)、精馏塔(C2)、冷凝蒸发器(K1)、过冷器(E2)、膨胀机(EXP1)。流程的特点是：氮气1直接由C2抽取，依次经E2、E1复热获得，氮气2直接由C1抽取0.765MPa的氮气经节流阀减压到0.665MPa后，再经E1复热获得。
   来自纯化系统的空气(3225m3/h，0.8MPa，8℃)进入冷箱内E1，被返流气体(富氧空气、氮气1、氮气2)冷却到露点后，进入C1的底部，进行第一次精馏。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮气的浓度逐渐增加，C1顶部100m3/h氮气经节流到适当压力后，进入E1被复热，作为氮气2供用户。其余的氮气全部进入C1顶部的K1，被冷凝成液氮后分成三股，一股经E2被返流的气体过冷后送入C2塔顶，作为回流液进行第二次精馏，另一股作为液氮产品供用户，其余的液氮作为C1的回流液参与精馏。在氮气被冷凝成液氮的同时，K1中的富氧液空被气化成富氧空气。
    在C1底部产生的富氧液空经E2过冷，节流后进入C2进行二次精馏，得到产品氮气经E2、E1复热后作为氮气1供用户。得到富氧空气经E2复热，进入E1被复热到约-145℃后，送入EXP1膨胀制冷后，返回E1被复热后，送入纯化系统。
2.5 方案5
    方案5冷箱系统工艺流程见图6。

   此方案采用双塔精馏，正流膨胀。主要配置为主换热器(E1)、精馏塔(C1)、精馏塔(C2)、冷凝蒸发器(K1)、过冷器(E2)、膨胀机(EXP1)、氮压机(NC101)、氮压机(NC102)。流程的特点是：氮气1和氮气2均由C2抽取，依次经E2、E1复热后，分别由NC101和NC102加压获得。
   来自纯化系统的空气(3255m3/h，0.41MPa，8℃)分两路进入冷箱内的的E1，一路被返流气体(氮气、富氧空气)冷却到-150℃后进入EXP1膨胀制冷后与来自E2的富氧空气汇合，另一路被返流气体冷却到露点的空气进入C1的底部，进行第一次精馏。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮气的浓度逐渐增加，进入C1顶部的K1。氮气被冷凝成液氮后分成三股，一股经E2被返流气体(氮气、富氧空气)过冷后送入C2作为回流液参与二次精馏，另一股作为液氮产品供用户，其余的液氮作为C1的回流液参与精馏。在氮气被冷凝成液氮的同时，K1中的富氧液空被气化为富氧空气。
    在C1底部产生的富氧液空经E2过冷，节流后进入C2参与二次精馏，得到产品氮气经E2、E1复热后分别送入NC101、NC102加压后，作为氮气1和氮气2供用户。得到的富氧空气经E2复热，与膨胀后的空气汇合后，进入E1被复热后送入纯化系统。
2.6 方案6
    方案6冷箱系统工艺流程见图7。
    此方案采用双塔精馏，返流膨胀。主要配置为主换热器(E1)、精馏塔(C1)、精馏塔(C2)、冷凝蒸发器(K1)、过冷器(E2)、膨胀机(EXP1)、氮压机(NC101)。流程的特点是：氮气1由C2抽取0.25MPa的氮气依次经E2、E1复热后，由NC101加压获得，氮气2直接由C1抽取并经E1复热获得。
   来自纯化系统的空气(2940m3/h，0.7MPa，8℃)进入冷箱内的E1，被返流气体(氮气1、氮气2、富氧空气)冷却到露点后进入C1的底部，进行第一次精馏。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮气的浓度逐渐增加，C1顶部抽取100m3/h氮气经E1复热后作为氮气2供用户，其余的氮气全部进入C1顶部的K1，被冷凝成液氮后分成三股。一股经E2被返流气体(氮气、富氧空气)过冷后，送入C2塔顶作为回流液进行二次精馏；另一股作为液氮产品供用户；其余的液氮作为C1的回流液。在氮气被冷凝成液氮的同时，K1中的富氧液空被气化成富氧空气。
    在C1底部产生的富氧液空经E2过冷，节流后进入C2进行二次精馏。得到产品氮气经E2、E1复热后，送入NC101加压后作为氮气1供用户。得到的富氧空气经E2复热后，进入E1被复热到约-150℃，送入EXP1膨胀制冷后，返回E1被复热后送入纯化系统。
2.7 方案7
    方案7冷箱系统工艺流程见图8。

    此方案采用两塔精馏，正流膨胀。主要配置为主换热器(E1)、精馏塔(C1)、冷凝蒸发器(K1)、过冷器(E2)、膨胀机(EXP1)、精馏塔(C2)、冷凝蒸发器(K2)、空气增压机(AC101)。流程的特点是：氮气1直接由C1抽取并经E1复热获得，氮气2直接由C2抽取并经E1复热获得。
   来自纯化系统的空气(3318m3/h，0.57MPa，8℃)分为两路，一路进入冷箱内的E1，被返流气体(氮气1、氮气2、富氧空气)冷却到约-153℃，进入EXP1膨胀制冷后进入C1的底部；另一路经AC101加压后再进入E1，被返流气体冷却到露点的空气进入C2的底部，进行精馏。在C2中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C2的顶部抽出100m3/h氮气，经E1复热后作为氮气2供用户。C2顶部的其余氮气进入C2顶部的K2，被冷凝成液氮后作为C2的回流液参与精馏。在C2底部产生的富氧液空经节流后送入C1底部。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C1的顶部抽出1400m3/h氮气，经E1复热后作为氮气1供用户。C1顶部的其余氮气进入K1，被冷凝成液氮，部分作为液氮产品，其余液氮作为C1的回流液参与精馏。在C1底部产生的富氧液空在E2被从K1和K2返回汇合后的富氧空气过冷，分别节流后进入K1(为C1提供冷量，将C1顶部的氮气冷凝成液氮)、K2(为C2提供冷量，将C2顶部的氮气冷凝成液氮)。在氮气被冷凝成液氮的同时，节流后进入K1和K2中的富氧液空被气化为富氧空气，富氧空气依次经过E2和E1，被复热后送入纯化系统。
3 各种方案比较
3.1 设备功率
   各方案单体设备功率和总功率见表2。
表2 方案1～7的单体设备功率和总功率  kW
方案编号
空压机C1001
预冷机RU1101
加热器E1201
空气增压机AC101
氮压机NC101
氮压机NC102
液体泵B1
总功率
1
341.8
13.5
21.6
—
3.5
—
—
380.4
2
390.1
12.8
20.6
—
—
—
—
423.5
3
355.0
13.7
21.8
—
—
—
0.035
390.5
4
403.3
12.2
19.8
—
—
—
—
435.3
5
305.0
14.2
22.5
—
97.0
10.4
—
438.7
6
345.7
11.4
18.7
—
18.6
—
—
394.4
7
358.7
13.0
21.1
4.4
—
—
—
397.2
    经过流程模拟计算，确定各种工艺流程所需加工空气量和空压机的排气压力，再根据流程模拟结果，计算出空压机(C1001)、预冷机(RU1101)、加热器(E1201)、氮压机(NC101、NC102)、液体泵(B1)、空气增压机(AC101)的功率，最终计算出总功率。
3.2 不同方案的特点
    不同的方案其设备配置不一样，能耗也不相同，设备投资也会有差异，设备维修的频率和工作量也各不相同。方案比较见表3。
表3 方案比较
方案编号
配置差异
机组配置
总功率/kW
设备造价/元
设备维修
1
多NC101
适中
380.4
370×104
适中
2
多K2、C2
简单
423.5
395×104
简单
3
多B1
较简单
390.5
350×104
较简单
4
多C2
最简单
435.3
380×104
最简单
5
多C2、NC101、NC102
最复杂
438.7
430×104
最复杂
6
多C2、NC101
较复杂
394.4
410×104
较复杂
7
多C2、K2、AC101
复杂
397.2
415×104
复杂
    从表3可以看出以下5点：
    ① 方案5最不可取，各项都最差，直接否决。
   ② 方案7也不可取，各项都不好，直接淘汰。
    ③ 从能耗上来看，方案1最优，方案3次之，方案6再次之，其余方案不可取。
    ④ 从设备造价上来看，方案3最优，方案1次之，方案4再次之，其余方案不可取。
    ⑤ 综合设备造价和能耗来看，方案1和方案3为优选方案。
    综合以上分析，我们将方案1和方案3推荐给了用户。用户对我们的工作态度极为赞赏，对推荐的这两种方案都很满意。
4 最终方案的确定
    ① 方案3中采用低温液体泵，用户没有接触过，相对生疏些；方案1中采用氮压机，虽然维修工作量大，定期需要更换备件，但用户使用熟练，完全掌握了压缩机的操作维修技术。
    ② 特别是当产品氮气2不需要时，采用方案1时只需要停止运行NC101即可，冷箱内的所有设备均与需要氮气2时的运行状况一样；采用方案3时，停止运行B1，则E1的氮气2通道将没有介质流过，同时E1中的氮气1通道流量需要加大100m3/h，整个E1的运行状态将偏离正常工况。
    ③ 从节能环保角度出发，方案1比方案3功率减小10.1kW，能耗下降2.65%。
    综合考虑后，用户最终选择方案1。
5 讨论
    规格单一的产品方案相对要简单一些，当相同的产品有几种规格时方案就相对多一些，如何选取优化的方案需要考虑的因素就会更多一些。不同的方案适用于不同的用户。
    ① 如果从能耗来看，方案1将是用户的最佳选择。
    ② 综合考虑机组配置复杂程度和能耗，用户可能选择方案2。
    ③ 如果单从投资来讲，方案3将是用户的最佳选择。
    ④ 如果从机组配置简单、方便维修来说，方案4可能是用户所喜欢的。
    ⑤ 如果以后用户的氮气1和氮气2使用压力会变化，方案5可能会更合理。
    ⑥ 如果以后用户的氮气1使用压力会变化，方案6将是不错的选择。
    ⑦ 从产品纯度考虑的话，方案2、方案4、方案7能够满足用户要求(因为没有经过压缩机和泵的二次加工，直接获得的产品不会产生二次污染)。若综合考虑能耗和产品纯度，方案7会受到用户的青睐。
    一个方案需要考虑很多因素，本文所列举的7种方案都有可能成为不同用户的选择。这就要求我们设计人员在做方案时需要集思广益，做出不同的方案，且将各种方案的优缺点告诉用户，与用户一同探讨确定较合理的工艺路线。没有最好的方案，只有更适合用户的方案。最好的是唯一的，更合理的不是唯一的，而是多个的。这就是做工程设计的艰难，需要综合考虑较多因素，进行比较，得到更适合用户的方案。
参考文献：
[1] 吴其蒙.高纯氮设备流程设计综述[J].深冷技术，2002(2)：15-19.
[2] 彭旭东，周峰.低温分离法纯氮设备两种流程比较[J].深冷技术，2009(3)：73-76.
 
(本文作者：阮家林 葛浩俊 南登元 杭州福斯达实业集团有限公司 浙江杭州 311100)