中型液体空分设备流程分析与选择60

中型液体空分设备流程分析与选择

摘要：完整的液态空气分离设备详细介绍了不同的流程组织形式，通过不同组

织的整个过程的模拟计算液体等参数空气分离设备的能源消耗，并比较不同过程

的能源消费和投资，指出液体流程形式的液体产量适用的范围。

关键词：低压循环；中压循环；液体空分设备；流程选择

1 前言

空气分离设备为国民经济的许多部门提供生产的气体和液体。各行各业的迅速发展，工

业气体的需求有较大的增长，特别是液体产品需求逐年上升，每年以15%~20%的速度增长。

液体产品很容易方便储存和供应，质量保证和更高的传输效率优势，越来越多的采用用户，

市场潜力非常大。如果液体产生的副产品空气分离设备不能满足市场的需求，液态空气分离

设备的应用程序作为一个整体已经成为一种趋势。下面对整个液体空分设备的组织过程和模

拟计算比较，分析了不同大小的所有液体空气分离设备的引用如何选择合适的流程组织形式，为用户提供低能耗、投资、成本合理的液体空气分离设备。

2 液体空分设备流程特点

液体空分设备的产品与液氧、液氮、液氩，需要冷量是非常大的。传统工艺的低压扩张

器的膨胀比小，和有限的温差和换热器设计拉赫曼体积，不要添加太多的膨胀体积，制冷量

不太大，传统低压液体生产过程的最大数量的氧气量的10%左右，这个过程不能满足的要求

大量的液体；内部压缩过程虽然可以使膨胀空气进下塔，以确保体积是不受限制，但空气量

和空气压力加工蒸馏效率，内部压缩过程理论最大的经济生产数量约为20%。可见，内部压

缩过程不能满足产品的要求。

为了满足所有需求的液态空气分离设备制冷量大，需要使用空气直接膨胀循环或增加外

循环确保体积膨胀机和无限扩张的大膨胀率，满足流动性需求的产品。根据不同的制冷系统

组织，整个空分设备的液体流动形式可以分为：直接膨胀空气循环制冷过程；中压外层循环

膨胀制冷过程；外循环预冷中压膨胀制冷过程；介质的压力循环双膨胀制冷流程。

3 流程组织形式及模拟计算

3.1空气直接膨胀循环制冷流程

为了得到的最小单位能源消耗、空气分离设备产品质量的液体，空气压缩机排气压力也

不同。空气压缩机排气压力一般是0.9MPa左右。扩张后在空中直接膨胀制冷循环过程，直

接通气孔，不是塔塔或参与精馏，在冰冷的液体产品所需的完全进入塔进入空气，然后进入

塔的空气湿度很大，因此空气分离设备的整体产品提取率较低，单位能耗较高。所以大量的

液体空气分离装置采用这一过程并不容易。因为这个过程适用于少量的液体空气分离设备的

生产，因此，系统的过程在一个组织中不考虑氩系统。

3.2外循环膨胀制冷流程

中压外循环膨胀制冷流程：净化空气直接进入冷芯盒后，在主换热器和回流气体（氮、

纯氮、纯氧污泥）传热液化温度后进入下塔附近。塔，空气是初步分离成液态氮和氧富集空气，顶部的氮在主冷凝结成液体，液体蒸发在低压端氧的寒冷的在同一时间。液态氮的一部

分回流，另一部分的液态氮在顶部，后冷却器为氮和氮太冷，节气门进入塔的纠正，另一部

分作为一个产品到存储系统中。

有预冷的中压外循环膨胀制冷流程：在中压外制冷循环预冷扩张过程中增加低温空调，

充分利用热交换器循环高压氮气的潜力，增加了冷量，降低了能源消耗。但由于需要将气体

从高压氮循环热交换器，和气体的温度和设计温度不会有太大区别，以免影响空调机组的制

冷量，影响液体产品的产量，所以低温空调和主换热器设计、制造要求非常高，但管理较差。

3.3中压外循环双膨胀制冷流程

这个过程与中压外层循环膨胀制冷过程，主要是高温和低温膨胀机代替中等压力膨胀机，为了充分利用循环压力可能增加热交换器的容量，提高液体的生产。由于膨胀循环压缩机和高、低温度模型，过程的影响并不是适用于少量的液体液体空气分离设备。循环压缩机排气

压力一般是3.0MPa左右，经过两个增压压力为6.4MPa，少量的液体和膨胀量很小，高压低

流扩张器是没有办法生产，那么你需要减少氮的循环压缩机排气压力，当压力降低到一定程

度上，这个过程不再是一个优势，因为投资很高，能源消费不低。

双重使用高温和低温膨胀机膨胀制冷，充分利用膨胀机的高温的特点，高焓降，并减少

高压换热器的不可逆损失，降低了能源消耗，而且容易调整两个流体，空气分离设备操作模

式简单，单位的液态能源消耗最低，特别是大量的液体液体空气分离设备能耗更低。

4 流程分析及模拟计算结论

当大多数工况过程的计算结果是按照生产液氧、液氮生产可以实现按同样方法或液态氧、液氮、液氩生产结果同时，计算结果非常接近。相比整个液体空分设备流程模拟计算结果，

可以得出以下结论：每单位能源消耗的流动的液体从高到低排列如下：

（1）直接膨胀空气循环制冷过程中，单位之间的液体能耗1.68～1.85kW·h/m3；中压外

层循环膨胀制冷过程中，单位的液态能源消耗约为1.36kW·h/m3；有一个预冷中压外循环膨

胀制冷过程的，单位的液态能源消耗约为1.2千瓦·h/m3；中压外层循环双膨胀制冷过程中，

单位的液态能源消耗约为1.16kW·h/m3。所有的一套完整的液态空气分离设备投资高、低阶

恰恰相反。

（2）因为未来的发展方向是准备大量的液体液体空气分离设备、中压外层循环双膨胀制冷过程将被广泛使用，因为它能耗低，操作简便。

（3）在液态氧，液态氮体积比大于1，空气循环制冷和处理单位的液体是能耗低；液态

氧时，液态氮体积比小于1，空气循环制冷过程的单位能耗高于液体氮循环制冷过程，这个

时候应该在氮循环制冷过程中使用。

5 结束语

综上所述，在某些地区的电价较低的国家和地区，建议使用液态空气分离设备的低压循

环过程。空气分离设备制造商在液态空气分离设备的设计，应与用户的实际情况相结合，共

同协商选择合理和适当的流程和配置，这样不但可以真正满足用户的需求和实现液态空气分

离设备的运行效率和较低的消费。

参考文献

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