空分全精馏制氩设备经济与社会效益分析

设计与计算

空分全精馏制氢设备经济与社会效益分析何子田 (杭州制氧机集团有限公司，杭州东新路 9号，104 0 300)

摘要对常规制氮和全精馏制氮、 筛板上塔与规整镇料上塔进行丁比较。对规整镇并塔与空分全精馏制氮设各的经济社会效益进行了较全面客观的分析。困2 4表，

关钮词： 空分全精饱制妞筛板塔规整填料塔优点经济与社会效益一、 概况世界上供应的大部分氢气主要由低温空

分设备生产。前空分制显流程主要有三种：目1吸附制氮工艺流程 .

一般为 9%A+15: . 2压力 8 r .十0 5写O写N,约为2ka粗氢通过 4, 0P。 A5 A分子筛在液氧温度下吸附除去其中的氮和氧组分而获得

从分馏塔上塔的适当部位〔 抽取点选在含氢高(%一1%A ) 9 2 r而含氮低(含氮 2一 5 l0p最高也不允许超过 60p )的截 0pm, 0pm〕面抽取气相氢馏分进入粗氮塔，在粗扭塔内进行氧一缸分离，在塔顶获得粗显。粗氮纯度粗傲进

9.9 99%纯氛。该流程操作难度较大， 纯度也只能达到” 9% r氛提取率低， 9 A,一般它只适用于 60 '以下小型空分设备制氢。 0m/ h 2低温空分设备的常规( 粗氛加氢除筑)制氢工艺流程

圈 1传统的常规制皿工艺流程

. . . 2下塔 3主冷凝蒸发器 4上塔 5粗氮塔体 6粗氛冷凝器 7纯虹冷凝器， . . 2阻火器 1. 3纯化器 0红换热器 1盆压缩机 1. 1 8纯氮塔体 9纯缸蒸发器 1., .1过冷器

1. 6水冷却器 1. 4空气换热器 1. 5水冷却器

1. 7水分离器 1. 8氢干操器

常见的、 也是传统的低温空气分离设备生产氢气的工艺流程(见图 1, )从分馏塔上

塔下部的适当部位〔抽取点选在含氢高(% ( 9一1% r, 2 A )而含氮低(氮 2-10p最含 5 0pm,

高也不允许超过 60p ) 0pm )的截面抽取气相氢馏分进入粗氢塔，在粗氢塔内进行氧一氢

分离，在塔顶获得粗缸，其纯度一般为(6 9%Ar .%02 .%N,+2 5+1 5 z压力约为 1k a 5P,

经复热至常温后从冷箱中引出进入氢纯化系统除去其中的氧杂质及其转化物，其纯化工艺是：粗缸经增压机增压至。3M a 5 P,化学法除氧( 2 q—催化剂-2

刀+, 2十 H H Q-冷却，水分离(空气冷却￣常温水冷却￣冷冻水冷却￣水分离)￣物理吸附法(通常用分子筛吸附干燥)清除残余水分和可能伴随的 c, o等杂质。出纯化器的无氧粗氢(通常称工艺氢)其组分为 9%十15, .% 6 r .+25 A%N H(:化学平衡后所必需的过量氢)0 (,2 2p露点低于一 pm+“℃。常温干燥的无氧粗氢回人分馏塔冷箱内，在氢换热器中温度降至接近液化温度进入精姐塔进行显一氮分离，最终在塔釜获得产品氢，其纯度为9 . 9%, 9 9 9 r A 3低沮空分全精馏制氮工艺 .

图 2全精烟制妞工艺流程

1冷却器 2下塔 3水冷凝焦发器 4上塔 .,, . 1. 9粗盆塔 I 2.段 0粗氮冷凝器 2. 1粗氛塔 I段 2. 2液体泵 2. 3纯氮冷凝器 2. 4纯妞塔体 2. 5纯氮蒸发器

低温空分设备全精馏制氢工艺流程( 见图2是 9年代初期发展起来的目 ) 0前世界上

最先进的制氨工艺流程：从分馏塔上塔的适当部位〔抽取点选在含氢高(环-1%A ) 9 2 r,而含氮低(含氮 2^10p最高也不允许 5 0pm, -超过 60p ) 0pm )的截面抽取气相氢馏分，进入粗氢塔 I进行精馏预分离，而后进入精氢塔，冷凝蒸发器装在粗氢塔丁，的顶部以液空过冷器后引来的液空作冷源，绝大部分的粗氢被冷凝作为塔内回流液，塔内上升气体在具有很大比表面积的规整填料的液膜外成对流传质。回流入粗氢塔 I底部的液态粗氢只能靠增压泵增压后输送到粗氢塔 I段顶部作为该塔段精馏所必须的回流液。粗氢塔 I底部的液体靠位差和自重回入精馏塔上塔的相应部位。通过填料塔精馏，最终在粗笼塔 I的顶部获得含氧(2p pm的粗组气体。带有足够余压的无氧粗缸由粗缸塔顶部直接导入精显塔的中上部，并在精妞塔内进行览一氮分离，最终在精氢塔的塔釜获得高纯度的产品液氢。塔顶冷凝器以过冷液氮作冷源，塔釜蒸发器通常以下塔的压力氮气作热源.用以蒸发液氢，以满足精缸塔精馏所必须的上升气体。总之，全精馏制氢和常规制氢所采用的精氢系统是一样的，所不同的是： () 1前者放空的余气中不含氢气，此热因质交换更彻底，操作更方便、更安全、更稳定。 () 2前者塔釜排出的产品姐气纯度更高，质量更好。原因是：①前者能连续精馏，精缸塔不仅清除了氧组分，而且同时也清除了

烃类和其它重质杂质。②清除了氮组分以及其它轻质杂质，更不存在氢气。③由于整个流程工艺过程都封闭在低温冷箱内完成，无外界杂质(如粉尘，水蒸气和其它污染物等)进入，所以产品气体的露点更低，纯度更好。以上的低温空分设备的常规( 粗氢加氢除氧)制盆工艺流程和全精馏制冤工艺流程是空分设备制缸用得最多、最普遍的制缸工艺流程，适用于任何大小容量规格的空分设

备制氢。下面经济社会效益分析也主要从比

8 3

较这两种工艺流程的差异而进行的。二、 两种流程的优缺点对比1低温空分设备常规( .粗氮加氮除瓦)制

氮工艺的致命缺点 () 1工艺流程复杂； ) (冷损大， 2能耗高； () 3需用氢气，操作运行费用高；4由于有氢 ()气存在，安全性差；5产品提取率低；6占 () ()地面积大(冤纯化车间和制氢车间)();7土建和安装费用高；8污染环境。 () 2低a空分全精馆制氮工艺的优越性 .与上述传统的低温空分常规制氢工艺存 在若干致命的缺点相比，空分全精馏制氢工艺的优点就尤为明显： () 1能耗低：①空分上塔采用压降非常小的规整填料 后，它就可降低操作压力，据资料报道，可使原料空气的压缩能耗减少 6 '%;%^8②由于取消加氢除氧系统， 就可省去制氢能耗、粗缸压缩能耗、氢干澡器再生能耗以及其它动力和照明能耗；③消除了传统制氢工艺所存在的粗氢从 低温到常温，从常温又到低温的不可逆损失。

() r 氢气纯度。 7提高经过足够高的填料塔连续精馏后：①粗氨塔不仅清除了氧组分，而且同时也清除了烃类和其它重质杂质；②清除了氮组分以及其它轻质杂质；③整个流程封闭在深低温中运行，所以笼产品不受其它杂质污染，更不存在水分。 () 8由于取消了氢纯化设备和制氢设备、氢纯化车间和制氢车间(需防爆)所以相应，的工程建设和安装费用大为降低。 () 9消除了环境污染(制氢设备碱液污染和粗氮压缩机噪声污染)。

三、 空分全精馏制姐工艺经济效益的粗略分析

1两种空分制氮流程工艺社会经济效益 .的定性分析见表 1表 l两种空分制妞流程工艺社会 经济效益的定性分析

扩竖石\粗组塔】祖组塔 1

低温空分低盆空分常规制红全箱切制

组( A)

( B)

Y E 6 E t

}有(较低 )} (高有较 ) A< B无

有

粗浪盆物送泵盆热交换器

无

有无

() 氧、氢) 2空分产品(氮、提取率高上塔压力降低了， 就相应的增大了各组分间的相对挥发度，有利于气体分离，在同样的理论塔板数情况下，用规整填料塔可使氛的提取率增大 50 '2 0^1%。规整填料用于粗氢塔，可使粗氢塔设置更多的理论塔板数，而且粗氢塔的总压降仍可控制在同样许可的有效范围内，这样也提高了冤的提取率。 () 3操作弹性大，填料塔的负荷范围大约可在 3% 10 0 - 1%之间。 () 4由于填料塔的液体滞留量很小，因此有利于变负荷工况生产。

有

分塔箱馏冷粗净设组化备电控设备 (包括过t分析仪)

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