该流程的最大特点是利用分子筛纯化后的空气，进行增压、降温、膨胀、复热等步骤的循环，用于提供整套装置的制冷量。两台空压机均采用透平式，有利于提高效率，降低能耗。主换热器为高低压气体复合型板翅式换热器，不仅结构紧凑，而且换热效率较高。更为重要的是该流程采用空气制冷循环，制冷介质与产品分属两个不同回路，因此不会对氮产品造成污染，而且对增压透平膨胀机的密封气源来说也容易解决。国外的大多该类产品多以系统组装方式出厂，以减少现场安装，保证装置的安装质量。
??? 通过利用Aspen Plus对流程的多次计算，我们发现，对于全精馏制氩的液体空分设备，其氩的提取率与液氮产品的取出量有很大的关系，因为液氮产品的取出量越大，上塔精馏段的液气比就越小。计算表明，当液氮产量占进塔空气量的7％时。氩的提取率可大于90％；当液氮产量占进塔空气量的10％时,氩的提取率可大于85％；当液氮产量占进塔空气量的16％时，则氩的提取率仅70％。这与全精馏制氩空分设备中，当膨胀空气量大于加工空气量的12％时，氩的提取率将迅速降低，有类似之处，只不过改变的是上塔精馏段下降液量而非上升气量的不同而已，但最终液气比的减小直接降低了氩的提取率。值得强调的是，在全精馏制氩的液体空分设备中，氩的提取率并不是衡量装置优劣的唯一因素，液体产品的纯度及能耗指标的高低，可能更重要些，因此对设备的选取与流程的组织要建立在各种方案详细论证的基础上，综合评估。
3．2 制冷回路的确定
??? 装置的大小决定了制冷型式，能耗指标及变工况的操作也决定着制冷回路的确定。
??? 中型的液化装置通常会采用中压循环流程，这在文献[2]中有详细的探讨。所不同的是全液体设备的主换热器是一个复合换热器，换热通道较多，情况要复杂一些。我们知道，在空气循环液体设备空分中，进塔空气的含湿很大，也就说明主换热器的负荷主要集中在液化段，热端的换热温差可能会较大，这样采用较长的主换热器以及将换热器的最小换热温差取大一些，有利于流程组织与换热器设计。
全液体空分设备的设计
关键词：低温液体；空分设备；流程；循环；膨胀；液化
1 前言
??? 随着交通状况的极大改善以及为了追求更高的经济效益，液态空气制品以其良好的品质、较低的运输成本、较好的性能价格比以及安全方便等特点，越来越受到用户的青睐。中国地域辽阔，但工业气体的供应远未达到发达国家可以以集中供气覆盖上百公里的规模，因此液体销售便成为气体公司一种较好的选择。同时，液体产品还可以较好地调配各地区产品供求不平衡的状况。随着医用氧气使用的逐步规范化，利用液氧生产医用氧气也成为一种趋势。因此，近几年来全液体空分设备和液化装置的需求量呈上升趋势。
??? 由于液体设备的产量受产品存储及市场等因素的制约，因此多数为中小型设备。其经济性远不如大型空分设备利用其富余氧氮产品液化获得的液体经济性好，因为空分设备越大，其分离能耗越低，液化装置的规模也可以较大。
???????????
???
????? 液体设备的能量消耗主要集中在压缩机上，通常我们应当选择定型的产品，这样装置不仅经济，而且可靠性更高。
在上述几个流程中，预冷系统的选择可按照设备处理空气量的大小，来决定是选用氨水预冷还是冷气机组预冷。
3 对全液体空分设备几个问题的探讨
?3．1 流程的组织
??? 全液体空分设备的组织都是针对用户的需要进行的。重点要考虑装置规模、纯度要求、能耗指标、生产模式以及对变工况的要求。设计必需按照这些要求合理地进行流程的组织，以确定装置的工艺流程。
??? 开空2002年也在河北某气体厂成功运营一套该类型空分设备，液体产量及纯度均达到设计要求，有区别的是开空采用三塔全精馏工艺。
??? 开空出口葡萄牙的50t／d液氮全液体空分设备，采用的也是氮气循环膨胀制冷流程。但与上述流程有所不同，它是由一套全精馏的空分设备和一套氮循环的液化装置构成，空分设备部分的正常运行及制氩所消耗的冷量，靠返注液氮维系，所设膨胀机仅为启动时使用。原理流程如图4。
??? 若在循环回路中选用低温冷冻机组提供高温冷量，需要低温冷冻机组的制冷量要稍大于设计值。一般选低温冷冻机组的蒸发温度在—35℃左右，这样有利于很好地组织流程和选择低温冷冻机组的有较好的经济性。高性能的低温冷冻机组目前在国内选择有一定的难度，因为它不仅要求有很好的变负荷操作控制，而且在低温状态下，压缩机的润滑也至关重要，这是确保整个装置长期高效运行的条件之一。由于选购全液体空分设备的公司，多为气体销售公司，可根据情况在设计中增加高压绕管式换热器，以回收液体汽化充瓶所复热的冷量，同时也可以减小低温冷冻机组的负荷。
??? 开封空分集团有限公司在已有的液化装置基础上，不断进行技术改进，并在1995年成功地生产出可同时生产液氧和液氮的全液体空分设备。2000年，两套以该型设备为变型的成套空分设备，成功出口伊朗，并通过考核验收。随着全精馏制氩技术的工业化应用，开封空分集团有限公司又适时开发出全精馏工艺的全液体设备，不仅满足了国内用户的需求，而且于2000年以成套空分设备形式出口葡萄牙，该设备于2001年8月通过用户的最终考核验收。这些都表明我国在空分技术的发展上达到一个新的水平，在中小型产品上具备了同国际知名大公司的竞争能力。
2 全液体空分设备的流程组织
??? 全液体空分设备的流程组织主要是按照制冷介质的工作状况决定的，具体情况如表1。
表1 全液体空分设备的流程组织
制冷介质 制冷形式 操作压力 适用范围 产 品
空气 直接膨胀制冷 中压 小型液体设备 液氧或液氮
循环膨胀制冷 中压 中型液体设备 液氧液氮液氩
表2 全液体空分设备技术参数
设计参数 实际考核
加工空气量 3400m3／h 3400m3／h
工作压力 25bar(G) 25bar(G)
工况 液氮产量 10t/d 12.5t/d
பைடு நூலகம்液氮纯度 ≤10×10-6O2 ≤1010-6O2
工况 液氧产量 5t/d 7.8t/d
2．3 氮气循环膨胀制冷流程
??? 氮气循环膨胀制冷流程也是全液体设备的典型流程。它与空气循环膨胀制冷流程有较多的类似之处，但最大的区别在于循环形式与制冷介质的不同，它是采用来自下塔经复热后的氮气作为
循环介质，循环中的氮气有部分液化，需合并至产品中，其原理流程如图3。德国MESSER公司在中国昆明和宁波投产了两套液体设备均采用这种流程，设备供应商为英国COSTAIN公司。值得注意的是，COSTAIN公司在这两套设备上采用了两塔制氩工艺，并获得了很高的氩提取率。
2.2 空气循环膨胀制冷流程
??? 国际上知名的大公司中，Linde公司生产该流程设备技术最为成熟，并有多套设备在国内外运行。随着全精馏技术的发展，目前该技术已广泛运用到中型全液体空分设备。如果流程组织得当，不仅可以在获得全液体产品的基础上，更主要的是可以最大限度地获取液氩产品。空气循环膨胀制冷原理流程如图2。
??? 通常精氩塔的工艺氩进料，都采用液体进料，所考虑的是精氩塔的工况会比较稳定。出口葡萄牙的全液体空分没备，我们采用的是气体进料，目的是为流程更加简单。事实证明气体进料与液体进料相比，其工况相对也很稳定，但控制要稍简单些。
??? 纯化系统的切换对精馏的影响也很大，过去有人认为分子筛的吸附热是造成塔工况波动的根源，因此把吸附器的并联工作时间延长(如15分钟)，这样由切换引起的进冷箱空气温度的短时提高可以有效缓解，塔工况会更稳定一些。但事实是，温度增加变缓了，而并联运行造成的吸附器的阻力减小，使得空气流量增加较多，而这对于精馏特别是制氩系统的影响较大，在氩提取率要求很高的全精馏制氩的液体空分设备中，更应该防止。因此这类设备的吸附器的并联工作时间，最好应低于2分钟。
液氧纯度 99.65％O2 99.65％O2
从上表可以看出实际考核参数比设计参数高出较多，其主要原因是所采用的气体轴承透平膨胀机的膨胀效率较高，而装置的冷损较小之故。2000年，开空以该型设备为变型的两套13t/d液氮产品空分设备。出口伊朗并获得成功。
??? 从实践经验来看，该流程的组织受较多因素制约，在日产13t以下的液氮产品设备的流程组织上，是比较合理的。其原因是在超过该等级后，再增加活塞式空压机是不合理的，宜考虑采用其它形式的流程。
??? 我们的空分设备，目前大多仍采用单回路控制。对于多回路控制的办法不多，因为它需要建立在良好的测控设备、完善的实验手段以及先进的过程摸拟计算等基础上，而这些都是建立在较高价格的设备设计之上的。
??? 在全液体空分设备中，对于循环系统的控制及调节必须保证有足够的可靠性，因为启动调节在操作中有一定的难度，透乎膨胀机的制冷量足够大，启动较快，因此我们的设计不仅要控制冷箱内设备的冷却速度，更要很好地控制调纯时的制冷量。一般对于透平膨胀机的膨胀量，正常工作时基本保持不变，但考虑到启动工况时需采用可调喷嘴调节。另一方面，如设备其它系统工作正常，透平膨胀机的每一次非正常停机，都会造成设备的超压，导致全线停机，因此我们不但要提高相应设备的设计压力，还应考虑系统泄压的有效性及安全性。
??? 对于全精馏制氩的液体空分设备，上塔如采用填料塔，其精馏段的液气比要比气体装置小。自氩馏分抽口至液空进口这一段塔，在正常工作时，其负荷又明显比其它塔段偏小，若保证与其它塔段等直径，喷淋强度不够大，比较难以适应较大的变工况操作，因此其塔径要小于其它塔段。在整套设备启动时，若不考虑同时启动制氩系统，则应在这一段设置气体旁通装置，这样可缓解因氮塞引起的短时液悬。考虑到填料塔的持液量较小，针对全精馏制氩的液体空分设备的工作特点，笔者更倾向于将上塔改为筛板与填料的复合塔，即上塔上段为筛板，下段为填料，这样可以缓解由于粗氩塔冷凝蒸发器工作时的压力波动，对上塔工况造成较大影响。
3.3 精馏工况
??? 由于在液体空分设备中，进塔空气的含湿较大，这样对下塔的精馏要求就很高，特别是在产品氮纯度小于110-6O2时。通常的设计是，把液化的液空分离出来，自下塔9~12块塔板导人，这样有利于提高下塔液空浓度，也便于提高氩的提取率。根据氮产品纯度的要求，应适当的增加理论板数，以保证采用氮循环时氮纯度的波动较小。
??? 通过利用Aspen Plus对流程的多次计算，我们发现，对于全精馏制氩的液体空分设备，其氩的提取率与液氮产品的取出量有很大的关系，因为液氮产品的取出量越大，上塔精馏段的液气比就越小。计算表明，当液氮产量占进塔空气量的7％时。氩的提取率可大于90％；当液氮产量占进塔空气量的10％时,氩的提取率可大于85％；当液氮产量占进塔空气量的16％时，则氩的提取率仅70％。这与全精馏制氩空分设备中，当膨胀空气量大于加工空气量的12％时，氩的提取率将迅速降低，有类似之处，只不过改变的是上塔精馏段下降液量而非上升气量的不同而已，但最终液气比的减小直接降低了氩的提取率。值得强调的是，在全精馏制氩的液体空分设备中，氩的提取率并不是衡量装置优劣的唯一因素，液体产品的纯度及能耗指标的高低，可能更重要些，因此对设备的选取与流程的组织要建立在各种方案详细论证的基础上，综合评估。
3．2 制冷回路的确定
??? 装置的大小决定了制冷型式，能耗指标及变工况的操作也决定着制冷回路的确定。
??? 中型的液化装置通常会采用中压循环流程，这在文献[2]中有详细的探讨。所不同的是全液体设备的主换热器是一个复合换热器，换热通道较多，情况要复杂一些。我们知道，在空气循环液体设备空分中，进塔空气的含湿很大，也就说明主换热器的负荷主要集中在液化段，热端的换热温差可能会较大，这样采用较长的主换热器以及将换热器的最小换热温差取大一些，有利于流程组织与换热器设计。
全液体空分设备的设计
关键词：低温液体；空分设备；流程；循环；膨胀；液化
1 前言
??? 随着交通状况的极大改善以及为了追求更高的经济效益，液态空气制品以其良好的品质、较低的运输成本、较好的性能价格比以及安全方便等特点，越来越受到用户的青睐。中国地域辽阔，但工业气体的供应远未达到发达国家可以以集中供气覆盖上百公里的规模，因此液体销售便成为气体公司一种较好的选择。同时，液体产品还可以较好地调配各地区产品供求不平衡的状况。随着医用氧气使用的逐步规范化，利用液氧生产医用氧气也成为一种趋势。因此，近几年来全液体空分设备和液化装置的需求量呈上升趋势。
??? 由于液体设备的产量受产品存储及市场等因素的制约，因此多数为中小型设备。其经济性远不如大型空分设备利用其富余氧氮产品液化获得的液体经济性好，因为空分设备越大，其分离能耗越低，液化装置的规模也可以较大。
???????????
???
????? 液体设备的能量消耗主要集中在压缩机上，通常我们应当选择定型的产品，这样装置不仅经济，而且可靠性更高。
在上述几个流程中，预冷系统的选择可按照设备处理空气量的大小，来决定是选用氨水预冷还是冷气机组预冷。
3 对全液体空分设备几个问题的探讨
?3．1 流程的组织
??? 全液体空分设备的组织都是针对用户的需要进行的。重点要考虑装置规模、纯度要求、能耗指标、生产模式以及对变工况的要求。设计必需按照这些要求合理地进行流程的组织，以确定装置的工艺流程。
??? 开空2002年也在河北某气体厂成功运营一套该类型空分设备，液体产量及纯度均达到设计要求，有区别的是开空采用三塔全精馏工艺。
??? 开空出口葡萄牙的50t／d液氮全液体空分设备，采用的也是氮气循环膨胀制冷流程。但与上述流程有所不同，它是由一套全精馏的空分设备和一套氮循环的液化装置构成，空分设备部分的正常运行及制氩所消耗的冷量，靠返注液氮维系，所设膨胀机仅为启动时使用。原理流程如图4。
??? 若在循环回路中选用低温冷冻机组提供高温冷量，需要低温冷冻机组的制冷量要稍大于设计值。一般选低温冷冻机组的蒸发温度在—35℃左右，这样有利于很好地组织流程和选择低温冷冻机组的有较好的经济性。高性能的低温冷冻机组目前在国内选择有一定的难度，因为它不仅要求有很好的变负荷操作控制，而且在低温状态下，压缩机的润滑也至关重要，这是确保整个装置长期高效运行的条件之一。由于选购全液体空分设备的公司，多为气体销售公司，可根据情况在设计中增加高压绕管式换热器，以回收液体汽化充瓶所复热的冷量，同时也可以减小低温冷冻机组的负荷。
??? 开封空分集团有限公司在已有的液化装置基础上，不断进行技术改进，并在1995年成功地生产出可同时生产液氧和液氮的全液体空分设备。2000年，两套以该型设备为变型的成套空分设备，成功出口伊朗，并通过考核验收。随着全精馏制氩技术的工业化应用，开封空分集团有限公司又适时开发出全精馏工艺的全液体设备，不仅满足了国内用户的需求，而且于2000年以成套空分设备形式出口葡萄牙，该设备于2001年8月通过用户的最终考核验收。这些都表明我国在空分技术的发展上达到一个新的水平，在中小型产品上具备了同国际知名大公司的竞争能力。
2 全液体空分设备的流程组织
??? 全液体空分设备的流程组织主要是按照制冷介质的工作状况决定的，具体情况如表1。
表1 全液体空分设备的流程组织
制冷介质 制冷形式 操作压力 适用范围 产 品
空气 直接膨胀制冷 中压 小型液体设备 液氧或液氮
循环膨胀制冷 中压 中型液体设备 液氧液氮液氩
表2 全液体空分设备技术参数
设计参数 实际考核
加工空气量 3400m3／h 3400m3／h
工作压力 25bar(G) 25bar(G)
工况 液氮产量 10t/d 12.5t/d
பைடு நூலகம்液氮纯度 ≤10×10-6O2 ≤1010-6O2
工况 液氧产量 5t/d 7.8t/d
2．3 氮气循环膨胀制冷流程
??? 氮气循环膨胀制冷流程也是全液体设备的典型流程。它与空气循环膨胀制冷流程有较多的类似之处，但最大的区别在于循环形式与制冷介质的不同，它是采用来自下塔经复热后的氮气作为
循环介质，循环中的氮气有部分液化，需合并至产品中，其原理流程如图3。德国MESSER公司在中国昆明和宁波投产了两套液体设备均采用这种流程，设备供应商为英国COSTAIN公司。值得注意的是，COSTAIN公司在这两套设备上采用了两塔制氩工艺，并获得了很高的氩提取率。
2.2 空气循环膨胀制冷流程
??? 国际上知名的大公司中，Linde公司生产该流程设备技术最为成熟，并有多套设备在国内外运行。随着全精馏技术的发展，目前该技术已广泛运用到中型全液体空分设备。如果流程组织得当，不仅可以在获得全液体产品的基础上，更主要的是可以最大限度地获取液氩产品。空气循环膨胀制冷原理流程如图2。
??? 通常精氩塔的工艺氩进料，都采用液体进料，所考虑的是精氩塔的工况会比较稳定。出口葡萄牙的全液体空分没备，我们采用的是气体进料，目的是为流程更加简单。事实证明气体进料与液体进料相比，其工况相对也很稳定，但控制要稍简单些。
??? 纯化系统的切换对精馏的影响也很大，过去有人认为分子筛的吸附热是造成塔工况波动的根源，因此把吸附器的并联工作时间延长(如15分钟)，这样由切换引起的进冷箱空气温度的短时提高可以有效缓解，塔工况会更稳定一些。但事实是，温度增加变缓了，而并联运行造成的吸附器的阻力减小，使得空气流量增加较多，而这对于精馏特别是制氩系统的影响较大，在氩提取率要求很高的全精馏制氩的液体空分设备中，更应该防止。因此这类设备的吸附器的并联工作时间，最好应低于2分钟。
液氧纯度 99.65％O2 99.65％O2
从上表可以看出实际考核参数比设计参数高出较多，其主要原因是所采用的气体轴承透平膨胀机的膨胀效率较高，而装置的冷损较小之故。2000年，开空以该型设备为变型的两套13t/d液氮产品空分设备。出口伊朗并获得成功。
??? 从实践经验来看，该流程的组织受较多因素制约，在日产13t以下的液氮产品设备的流程组织上，是比较合理的。其原因是在超过该等级后，再增加活塞式空压机是不合理的，宜考虑采用其它形式的流程。
??? 我们的空分设备，目前大多仍采用单回路控制。对于多回路控制的办法不多，因为它需要建立在良好的测控设备、完善的实验手段以及先进的过程摸拟计算等基础上，而这些都是建立在较高价格的设备设计之上的。
??? 在全液体空分设备中，对于循环系统的控制及调节必须保证有足够的可靠性，因为启动调节在操作中有一定的难度，透乎膨胀机的制冷量足够大，启动较快，因此我们的设计不仅要控制冷箱内设备的冷却速度，更要很好地控制调纯时的制冷量。一般对于透平膨胀机的膨胀量，正常工作时基本保持不变，但考虑到启动工况时需采用可调喷嘴调节。另一方面，如设备其它系统工作正常，透平膨胀机的每一次非正常停机，都会造成设备的超压，导致全线停机，因此我们不但要提高相应设备的设计压力，还应考虑系统泄压的有效性及安全性。
??? 对于全精馏制氩的液体空分设备，上塔如采用填料塔，其精馏段的液气比要比气体装置小。自氩馏分抽口至液空进口这一段塔，在正常工作时，其负荷又明显比其它塔段偏小，若保证与其它塔段等直径，喷淋强度不够大，比较难以适应较大的变工况操作，因此其塔径要小于其它塔段。在整套设备启动时，若不考虑同时启动制氩系统，则应在这一段设置气体旁通装置，这样可缓解因氮塞引起的短时液悬。考虑到填料塔的持液量较小，针对全精馏制氩的液体空分设备的工作特点，笔者更倾向于将上塔改为筛板与填料的复合塔，即上塔上段为筛板，下段为填料，这样可以缓解由于粗氩塔冷凝蒸发器工作时的压力波动，对上塔工况造成较大影响。
3.3 精馏工况
??? 由于在液体空分设备中，进塔空气的含湿较大，这样对下塔的精馏要求就很高，特别是在产品氮纯度小于110-6O2时。通常的设计是，把液化的液空分离出来，自下塔9~12块塔板导人，这样有利于提高下塔液空浓度，也便于提高氩的提取率。根据氮产品纯度的要求，应适当的增加理论板数，以保证采用氮循环时氮纯度的波动较小。
