【摘要】介紹了液氧自增壓流程的原理，分析了常規流程與自增壓流程的不同特點，闡述了自增壓流程的優勢和適用場合，以及杭氧在自增壓流程空分裝置上的應用進展。
關鍵詞：空分裝置，常規流程； 自增壓流程；原理；特點；應用優勢
1 前言
在常規的分子篩淨化、增壓透平膨脹機製冷的空分流程中，從節約能耗考慮，上塔的操作壓力要盡可能降低，由此使得上塔的氧氮分離效率更高，氧的提取率達到99％以上。這種流程能耗指標較為先進，但是產品氧氣出冷箱壓力僅在0．15bar左右，一般不能直接用於後續生產需要，空分使用者須用氧壓機把氧氣進一步公升壓至滿足其生產工藝需要的壓力。
在常規流程的基礎上，設定一台液氧蒸發器k2，使其蒸發壓力提高，從而提高產品氧氣壓力。這種空分流程，我們稱之為「液氧自增壓」流程(見圖1)。自增壓流程空分裝置的產品氧氣壓力在0．5~2bar之間，不需要另外用液氧幫浦或氧壓機對
氧氣公升壓，就可以直接滿足特定使用者對低壓氧氣的需求。
自增壓流程與常規流程相比有許多優特點，對一些特定的使用者具有較高的應用價值。以下就自增壓流程的原理、特點和應用優勢做一**。
2 自增壓流程原理
自增壓流程的工作原理是利用主冷液氧液面與液氧蒸發器液面的落差△h產生的液氧自重壓力，克服蒸發器工作壓力與上塔底部工作壓力之間的壓差。液氧利用自重流人壓力高於上塔工作壓力的液氧蒸發器中被空氣加熱後汽化，產品氧氣出冷箱的壓力達到0．5~2bar。
這種流程的關鍵在於液氧蒸發器能夠持續地工作，有兩個條件需要滿足：一是要有一股空氣能夠持續對液氧進行加熱並使之汽化，由於蒸發器中的液氧沸騰溫度相對較高，而空氣在與液氧換熱的過程中需保持一定的溫差，因此這股空氣的壓力必須提高，使得空氣液化溫度高於液氧沸騰溫度，這樣加熱過程才能延續；二是要有持續的液氧流人蒸發器，在自增壓流程中蒸發器的壓力高於上塔底部的壓力，上塔來的液氧只能利用自重流人工作壓力較高的蒸發器中，因此要盡可能擴大兩者之間的位差，保證液氧能夠j頃利地流人蒸發器。因為上塔底部與蒸發器的位差ah是有限制的，因此自增壓流程的氧氣產品壓力也是有限的，空壓機出口壓力的選擇也必然受制於這個位差，否則會導致氧氣產品壓力下降或能耗增加。
3 自增壓流程的特點
杭氧集團公司提供安陽一飛利浦公司的一套 10000m3／ho2自增壓流程空分裝置，已於2023年10 月在鄭州經濟開發區工廠投入執行。該裝置的加工空氣由四台英格索蘭透平壓縮機聯網提供，空壓機排氣壓力7bar，氧氣產品設計壓力1．5bar，提供給安飛公司映象管玻殼生產線使用。目前裝置執行狀態良好，各項效能指標均達到或超過設計值。
液氬產量320m3／h，液氧產量500m3／h，氧氣產量大於10000m3／h，壓力達到1．6bar。
在該裝置的設計和除錯過程中，杭氧獲得許多寶貴的經驗，同時也發現自增壓流程空分裝置與常規流程空分裝置相比有自己的特點，如果在設計過程中不能全面考慮，對空分裝置的效能會產生較大的小利影咽。
首先，自增壓流程空分裝置氧氣產品是在液氧蒸發器中製取的，如果蒸發器不能正常工作也就意味著整套裝置的失敗。在除錯過程中曾發生空壓機的排氣壓力已經達到7bar而氧氣的產量和。壓力依然無法提高的現象，經過反覆調整工況，問題最終得以解決。
雖然，理論上只需空氣壓力能夠保證空氣液化溫度高於某一壓力下液氧的沸騰溫度，就能生產出同一壓力的氧氣產品。但是在流程設計中忽視v22、v14和v15閥的相互牽制的關係以及分析測點的設定不合理，同樣會使液氧蒸發器失去工作能力，導致整套空分裝置的失敗。
其次，自增壓流程空分裝置的全精餾制氬工況相對常規流程空分裝置更難控制。因為有相當於氧氣產量的液氧轉移到液氧蒸發器去汽化，主冷凝蒸發器的熱負荷較常規流程空分裝置的主冷少三分之一左右，因此上塔下部的工況受主冷熱負荷變換的影響較常規流程更為明顯。進塔加工空氣量的變化、主冷液氧液面的波動，甚至液氧產量的變化， 均會使氬餾分抽口位置的氣相組分發生較大變化， 不及時調整就會導致粗氬塔發生「氮塞」或粗氬純度下降。
對這個問題的處理較為複雜，需要從空分流程組織與裝置結構設計等多方面進行考慮。
另外，還有乙個自增壓流程空分裝置與常規流程空分裝置明顯不同的設計之處，就是有一股約為氧氣產量的1．35倍的加工空氣與液氧換熱後變為液體、再節流後送人精餾塔。考慮到要充分利用下塔的精餾潛力和獲得盡可能高的氬提取率，這股液空將按一定的比例分別送人上下塔的中部進行精餾。如果進下塔的液空比例過大，會使分配進上塔的液空量減少，此時必須增加送人上塔頂部的液氮量，這就導致回流至下塔頂部的液氮量減少，氮氣的純度變差。
如果分配進下塔的液空比例過小，就會使下塔底部送人上塔的富氧液空量減少，從而影響上塔的精餾工況，也會導致氮氣純度下降。如何在流程計算和組織上對這股液空進行合理分配，是自增壓流程成功的關鍵所在。安飛公司的這套空分裝置的良好執行，充分體現了杭氧自增壓流程空分裝置的研發和製造技術已經達到較高的水準。
4 自增壓流程的應用優勢
自增壓流程相對於成熟的常規流程在設計和操作執行上有一定的難度，但是自增壓流程也有自身的優勢。首先，對於需要中低壓氧氣的使用者而言， 應該重點考慮這種流程形式。該流程空分裝置可以為使用者直接提供0．5 2bar的產品氧氣，而且由於省去液氧幫浦或氧壓機之類的動裝置，整套空分裝置的可靠性也得到提高。
其次，就需要氧氣終壓為 30bar的使用者而言，因為自增壓流程空分裝置氧氣產品的壓力可達到1．5bar以上，所以終壓為30bar 的氧壓機的壓比在12左右，採用效率較高的單缸透平氧壓機就完全可以達到目的，具有明顯的節能優勢。以國產「萬立」空分裝置為例，常規流程和自增壓流程的空分裝置的能耗均主要是空壓機加氧壓機的能耗。常規流程的空壓機能耗約4214kw／h， 氧壓機的能耗約2002kw／h，兩者相加共6216kw／h。
自增壓流程的一體式空壓機（見圖2）能耗約 4479kw，氧壓機的能耗約1477kw／h，兩者合計 5956kw／h(以推薦流程的一體式空壓機和單缸氧壓機的軸功率計算)。由此可見，兩種流程的能耗相差達260kw／h之多，使用自增壓流程空分裝置的使用者每年可節約電能210萬千瓦。
值得一提的是，自增壓流程空分設，備的成本也不會高於常規流程的空分裝置。這是因為採用的單缸氧壓機結構簡化，較常規流程配置的雙缸氧壓機，成本可以大幅下降，執行維護費用也較低。而自增壓流程空分裝置相對常規流程空分裝置增加或效能提公升的裝置有液氧蒸發器和一體式空壓機，液氧蒸發器的核心部件——板翅式換熱器可以認為是從常規流程主冷中分離出來的，因此兩者的成本不會相差太多。
出口壓力為7bar左右的一體式空壓機與常規流程配套的空壓機機型和配置基本相似， 購置成本增加並不多。
5 結束語
自增壓流程是一種可靠性好、價效比較高的流程模式，在冶金、鋼鐵、電子(玻殼)、城市煤氣化、化工(合成氨原料氣)、汙水處理等工業領域具有非常廣闊的應用前景。
鑑於目前自增壓流程空分裝置在使用者之中的認知程度較低及潛在的節能優勢無法體現，筆者特此撰寫此文，並推薦一種先進的自增壓流程空分裝置 (見圖2)供廣大的使用者作選型考慮。
作者簡介：蔣毅(1971- )，男，工程師，2023年畢業於浙江工學院化工裝置與機械專業，現在杭氧股分****設計院專案室從事大型空分裝置設計工作。
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