0.前言

內(nèi)壓縮流程經(jīng)過不斷完善和發(fā)展，其所涉及到的相平衡、精餾及換熱方面都要比傳統(tǒng)外壓縮要復(fù)雜的多，空分設(shè)備冷箱內(nèi)的換熱與精餾都相互作用又影響，由于內(nèi)壓縮的產(chǎn)品是在冷箱內(nèi)通過液體泵壓縮后經(jīng)過高壓換熱器復(fù)熱出冷箱的，其工作壓力往往都超出氧氮的臨界點(diǎn)，液體在超臨界狀態(tài)下進(jìn)行換熱也是內(nèi)壓縮的一大特點(diǎn)。而在精餾方面，由于產(chǎn)品種類及獲取方式的不同，導(dǎo)致塔設(shè)備的物料進(jìn)出口與外壓縮相比有很大的變化；換熱的情況相比精餾更要復(fù)雜，如今應(yīng)用到空分低溫?fù)Q熱的一般首選板翅式換熱器，其可以滿足多股流、相變與無相變及超臨界狀態(tài)下的換熱形式，這些對(duì)于外壓縮都是未出現(xiàn)過的換熱方式，所以對(duì)內(nèi)壓縮流程的換熱方式的研究對(duì)進(jìn)一步加深對(duì)其的理解有重大意義。

1.   內(nèi)壓縮空分流程

內(nèi)壓縮流程是產(chǎn)品氧氣通過液氧在冷箱內(nèi)加壓獲取壓力再復(fù)熱出冷箱的一種流程型式，其適合氧氣壓力不受限制，氮?dú)猱a(chǎn)品最大可達(dá)到氧氣產(chǎn)品的2.8倍，氬氣產(chǎn)品提取率可達(dá)85%左右。

內(nèi)壓縮空分設(shè)備一般由壓縮系統(tǒng)，預(yù)冷系統(tǒng)，純化系統(tǒng)，精餾系統(tǒng)，產(chǎn)品壓縮系統(tǒng)和貯存與汽化系統(tǒng)等組成。

，一般有三種流程形式：空氣循環(huán)單泵流程（中高壓氧內(nèi)壓，中高壓氮外壓，壓力氮?dú)庀滤?，低壓氮?dú)馍纤椋?，空氣循環(huán)雙泵流程（中高壓氧內(nèi)壓，中高壓氮內(nèi)壓，壓力氮?dú)庀滤椋蛪旱獨(dú)馍纤椋┖偷獨(dú)庋h(huán)單泵流程（中高壓氧內(nèi)壓，中高壓氮外壓（循環(huán)氮壓機(jī)與產(chǎn)品壓縮機(jī)合二為一），壓力氮?dú)庀滤椋蛪旱獨(dú)馍纤椋?。?nèi)壓縮空分設(shè)備工藝流程圖

2.相平衡

深冷法分離空氣即在低溫狀態(tài)下利用各組分沸點(diǎn)的不同而進(jìn)行分離的過程。相平衡存在于兩組分以及多組分的精餾分離當(dāng)中，兩組分以及多組分之間的相平衡是空分精餾的基礎(chǔ)。

 2.1不同壓力（1bar,3bar,5bar,8bar）下，N₂,O₂兩組分相平衡圖

由上圖可以看出壓力越高，精餾溫差越小，精餾效果會(huì)越差；壓力越低，精餾溫差越大，精餾效果會(huì)越好。

 2.2下塔N₂,O₂兩組分相平衡圖

下塔也叫壓力塔，一般壓力塔的精餾選擇篩板塔，填料塔在壓力高時(shí)精餾效率并沒有優(yōu)勢(shì)，篩板塔具有高度較低，精餾效率較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此應(yīng)用較多。但是填料塔由于類型不斷地改進(jìn)，同時(shí)變負(fù)荷范圍較寬，與篩板塔相比塔徑小而在大型空分上應(yīng)用較多。

 2.3上塔N₂,O₂兩組分相平衡圖

   由上圖可以看出氧組分與氮組分在低壓下精餾溫差大，因而精餾效果好。

上塔也叫低壓塔，多采用填料塔，因?yàn)樘盍纤诘蛪合碌木s效果要優(yōu)于篩板塔，而且上塔的進(jìn)出料較多，要求變負(fù)荷范圍大，并且填料塔阻力只有篩板塔的1/3，具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2.4上塔氬餾分抽口段N₂,O₂,AR三組分相平衡圖

可以看出氬組分的精餾溫度在氮組分與氧組分之間，并且接近氧組分，所以一般只要氮產(chǎn)品或者只要氧氮產(chǎn)品的空分設(shè)備，把氬組分劃歸氧組分當(dāng)中，氬組分對(duì)氧組分精餾的影響隨著氧純度的提高而愈加明顯。 

 2.5粗氬塔AR,O₂兩組分相平衡圖

粗氬塔AR,O₂兩組分的精餾溫差較小，而且精餾純度要求高，所以這也是粗氬塔的塔板較多的原因。

 2.6精氬塔AR,N₂兩組分相平衡圖

精氬塔的氮組分與氬組分的比氮組分與氧組分的精餾溫差稍微小一點(diǎn)。所以對(duì)于氮組分的廢氣來說比較容易，但是一般廢氣中氮含量較?。ㄍǔ?/span>0.1%以下，氮塞工況例外），而且氮?dú)鈱?duì)混合物溫度影響較大，直接影響冷凝器溫差，所以一般需要反復(fù)精餾，同時(shí)減少產(chǎn)品損失。

3、低溫精餾

精餾對(duì)于空分設(shè)備來說是借助于篩板或者規(guī)整填料等載體進(jìn)行的低溫工況下的各組分的傳質(zhì)傳熱，從而獲取產(chǎn)品的過程。

精餾塔的液相負(fù)荷：對(duì)于不同組分而言，氬組分質(zhì)量較重，氮組分較輕，氧組分居中（精餾各組分的液體密度為氧：1140kg/m3氮：810kg/m3氬：1410kg/m3），所以由于其組分比例得不同，對(duì)液相負(fù)荷的重度影響也不同。

對(duì)于塔板氣液負(fù)荷值來說：對(duì)于氣相而言上升氣先低后高，原因是氧組分的汽化潛熱較大，液化能力較氮組分強(qiáng)，因而氣相先低后高，也即精餾塔從底部到頂部，氧組分濃度漸小，這也是上述狀況出現(xiàn)的原因。（各組分的汽化熱：氧：213.65kJ/kg；氮：199.25kJ/kg；氬：164.09kJ/kg）

對(duì)于下流的液相而言，氬組分的液體密度最大，氧組分次之，氮組分最?。凰詺褰M分濃度大的塔板液體質(zhì)量負(fù)荷較大；而對(duì)于氬組分濃度較小的塔板，質(zhì)量負(fù)荷較小。

 3.1.1下塔氧氮?dú)迦M分沿塔板濃度分布截面圖

 3.1.2下塔沿塔板上的液氣負(fù)荷值

第1塊抽液氮；第2塊塔板抽出少量壓力氮?dú)?；?/span>18塊抽污液氮；第36塊抽出貧液空；42塊抽富氧液空；空氣由42塊進(jìn)；氬組分較集中在貧液空出口處；氣相由于氧的汽化潛熱較氮?dú)獾钠瘽摕岽?，所以上升氣質(zhì)量負(fù)荷逐漸增大；

 3.2.1上塔氧氮?dú)迦M分沿塔板濃度分布截面圖

 3.2.2上塔沿塔板分布的液氣負(fù)荷值

頂部第1塊抽氮?dú)?；?/span>8塊進(jìn)污液氮，抽污氮?dú)?；?/span>18塊貧液空進(jìn)；第24塊液空進(jìn)；第30塊液空蒸汽進(jìn)；第47塊氬餾分抽出，液氬餾分回流；底部第81塊抽液氧；

 3.3.1粗氬塔氧氮?dú)迦M分沿塔板濃度分布截面圖

 3.3.2粗氬塔沿塔板液氣負(fù)荷值

第195塊進(jìn)氣相氬餾分（含氬10%左右），同時(shí)回液相（含氬餾分5.5%左右）；由于氬組分密度較大，氧組分密度較小，所以在171塊至195塊，氧組分濃度為90%左右；第1塊至171塊，氬組分占90%以上，因此氣液質(zhì)量負(fù)荷會(huì)增大較多。

3.4.1精氬塔氧氮?dú)迦M分沿塔板濃度分布截面圖

3.4.2精氬塔沿塔板液氣負(fù)荷值

氣相第10塊進(jìn)料，廢氣放空微量；經(jīng)過冷凝器冷凝后（大約為氣相2倍量）全部作為回流液；蒸發(fā)器所蒸發(fā)的液體大約為進(jìn)料的1倍；在第30塊塔板抽出液體產(chǎn)品，其量為氣相進(jìn)料的1倍少一點(diǎn)（少氣相廢氣放空量）；

4.低溫?fù)Q熱

 4.1液氧內(nèi)壓縮高壓主換熱器溫差沿長度分布圖（超臨界狀態(tài)換熱）

4.2液氧液氮內(nèi)壓縮高壓主換熱器溫差沿長度分布圖（超臨界狀態(tài)換熱）

4.3液氧內(nèi)壓縮低壓主換熱器溫差沿長度分布圖（氣-氣換熱，無相變）

4.4過冷器沿長度溫差沿長度分布圖（液-氣換熱，無相變）

4.5主冷凝蒸發(fā)器的溫差沿著主冷高度的分布圖（相變及無相變的各種換熱類型都存在）

下塔頂部壓力5.78bar,飽和態(tài)氮?dú)猓ńM分N₂:0.999997;AR:0.0000003）,飽和溫度95.865K.

上塔底部壓力1.4bar時(shí)，板式頂部液氧（組分O₂,0.996,Ar:0.004），飽和溫度93.27K,由于有2.2m的液柱靜壓，板式底部壓力1.65bar（此壓力下液氧飽和溫度95.07K），液氧處于過冷態(tài)，過冷度1.8K，在板式中間隨著液氧的壓力降低（液柱靜壓從底部到頂部，先為全液體，出現(xiàn)氣泡后，逐漸增多，成為氣液混合物，氣體逐漸增多，到板式頂部大約有31%的液體汽化，液氧循環(huán)倍率為3.225，（一般液氧循環(huán)倍率取3∽5即可））;對(duì)數(shù)溫差1.02K，熱端溫差1.838K,冷端溫差2.18K.最小溫差0.5K;（一般主冷凝蒸發(fā)器的對(duì)數(shù)溫差只需大于0.8K即可滿足）。

液氧過冷區(qū)與液氮液-液換熱，達(dá)到飽和點(diǎn)后，進(jìn)行相變換熱，此時(shí)液氧壓力1.62bar左右，同時(shí)飽和點(diǎn)也隨著壓力的降低（液柱靜壓減?。┒档?，液氧進(jìn)入相變換熱區(qū)（與氮?dú)馔瑸橄嘧儞Q熱區(qū)），壓力降低至板式出口為1.40bar(氣液化合物，69%的液體占液柱靜壓約17 kpa，板式阻力3kpa,剩余5kpa轉(zhuǎn)化為氣液混合物的壓力頭，出口有一定的流速，即勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；而實(shí)際上氣液混合物的出口密度僅僅為液氧的1/40，即液氧隨著相變汽化的進(jìn)行，密度由100%的液體密度，逐漸變?yōu)橄喈?dāng)于2.5%的液體密度，所以嚴(yán)格來說，應(yīng)該是底部所產(chǎn)生的液柱靜壓0.25bar同出口69%的液體的液柱靜壓（氣體忽略）與其動(dòng)能及阻力之和相等，也即mgh=0.69mgh+0.5×(0.69m)v2+f，但是此公式僅僅適合出口界面，其它界面只需將氣化率0.31改變即可)，液氧汽化后出口為飽和態(tài)，氮?dú)庖矠轱柡蛻B(tài)進(jìn),在板式上段進(jìn)行大溫差的相變換熱，但是由于氣液混合物的流速逐漸增大，導(dǎo)致液氧與板式壁面接觸的層面僅僅局限于邊界層，因此受到氣液混合物的流速漸增的影響（未汽化液體無法接觸壁面），換熱實(shí)際上在上段逐漸趨緩（只進(jìn)行氣-氣換熱，液體做垂直上拋運(yùn)動(dòng)，無法貼近壁面，氣相換熱溫差小而較弱），而在流速較緩的中部區(qū)達(dá)到最大（相變換熱），底部由于有過冷區(qū)以及相變區(qū)溫差小，換熱較弱。

所以液氧的換熱為先為過冷態(tài)換熱，然后隨著壓力降低，溫差擴(kuò)大，進(jìn)行變相換熱，隨著壓力的降低，飽和點(diǎn)也隨著降低，溫差逐漸擴(kuò)大，出口地方溫差擴(kuò)大到1.86K,(95.86-94.0K)，但是由于液相有向上的壓力頭，致使上段液相不能完全接觸到板式壁面，能接觸到的液體汽化后，在壁面形成邊界層，與板式壁面換熱溫差漸漸縮小，換熱微弱，同時(shí)氣-氣無相變換熱效果差，所以在板式上段出口地方換熱又轉(zhuǎn)弱。

所以主冷板式適當(dāng)有個(gè)傾角實(shí)際上對(duì)換熱是有利的（可讓主冷板式上部實(shí)現(xiàn)部分氣液分離，這樣液相與板式接觸更充分些），但是液氧循環(huán)倍率會(huì)減小，這是不利的地方。另外降膜主冷的板式也可傾斜，這樣更有利于增強(qiáng)換熱減小換熱面積與控制循環(huán)倍率。 

5.結(jié)束語

隨著我國冶金及化工行業(yè)的發(fā)展，內(nèi)壓縮空分設(shè)備的應(yīng)用也變得更加廣泛，其流程形式具有多樣化的特點(diǎn)，產(chǎn)品獲取方式可以有多種，使得精餾與換熱要比傳統(tǒng)外壓縮要復(fù)雜許多，對(duì)于設(shè)計(jì)及運(yùn)行操作等方面的理解與應(yīng)用出現(xiàn)了新的難題，這也是氣體分離行業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。內(nèi)壓縮流程作為新一代流程，應(yīng)用40余年來，經(jīng)過不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，已經(jīng)臻于成熟。

換熱與精餾是空分設(shè)備的兩大主題，空分設(shè)備低溫下的換熱型式，低溫下的精餾載體，其相互影響又相互作用，而內(nèi)壓縮空分流程的自身包容性也使得這些相互影響，相互作用的因素又完美的結(jié)合在了一起，使得空分流程不斷推陳出新，向前發(fā)展，或許這正是內(nèi)壓縮空分流程的生命力之所在。