氮气回收并液化循环流程的比较

1、氮气回收并液化循环流程的比较摘要：一种氮气回收并液化装置，循环利用减少运行成本。阐述几 种氮气回收液化系统的流程组织，并比较相互的优劣势，合理选择 最佳的流程。1、概述某化工科技公司有一套电子产品用高纯新材料生产装置，该装置在运行中，需要用到低温液氮做为冷源在装置中起到冷却作用。液氮用量1350Nm（h，折合液氮约2.1m3/h，进装置压力0.4Mpa,液氮冷 却介质后汽化复热至-30 C,出装置后排入大气。整套装置在连续运 行中，每天都需要消耗掉约40吨液氮，装置配套有2台50m低温真 空贮槽，业主每天都需要采购液氮进行补充， 液氮冷能被利用后排入 大气，不利于环保节能，若将排放的氮气回收并

2、加以液化，重复循环 使用，不仅减少了浪费又节省了大量的资金。方案是否可行？按业主提供的参数，开封空分模拟了几种方案的 流程计算，给出了氮气回收液化装置的理论消耗值（见表一），各种 方案的配置选择在本文后面会做详细的阐述。表一液化装置能耗投资比较方案二心方案二方索二卩循流量 Nir3/h9500"120028300进岀压力KgQ0.11/1.0. 335/1, &0.11/1.1轴功率KIP1074*9血935，运行电耗嶠/天卩25776-2260822442费用（电歿按0-65 Ttit）元/天存16754.314695. %14586心整套装置投瓷万兀*460*1400如0

3、莎知离注：整套装置运行电耗主要来自循环氮压机，其它设备相对电耗可忽略不计。按照目前业主的运行参数，每天消耗 40吨液氮，业主采购价为650元/吨，每天需26000元运行成本。采用氮气回收液化装置运行， 对比表中费用每天可节省11300元，一年可节省373万（按330天计）。 装置增加投资约400万，一年即可收回一次投资成本。每年运行设备 维护费用约5万元，人工投入费用20万（按4人计，每人5万/年）， 所以增设一套氮气回收液化装置，回报远远大于投资，当然若液氮的 采购价格低于400元/吨，装置则无投资或运行价值。2、设计方案比较使用液氮冷能的生产装置流路大致如下：液氮来自低温贮槽，贮槽内压力保

4、持在0.4Mpa以上，温度饱和状态进生产装置，在装置中 经液化器、第一冷却器及第二冷却器被复热到-30 C出装置，排放压 力约 0.25Mpa。我们要做的是将这股气态氮再进一步冷却并使之液化。我们知道，只有当气态物质的温度降低到其临界温度以下才能液化，氮气的临界温度远比环境温度低，要使其液化必须应用人工制冷的方法。目前最普遍的方法就是节流液化循环与带膨胀机的液化循环，而压缩气体进入膨胀机膨胀并对外做功，可获得大的温降及冷量，采用气体输 出外功绝热膨胀的循环，是目前在气体液化和分离设备中应用最广泛 的流程形式。这种流程有多种组织形式，最简单的流程形式见氮气回 收液化系统示意图一：2.1采用单级增

5、压单级膨胀的氮制冷循环。从冷箱复热出来的0.11MPa(A)氮气进入循环氮压机压缩至 0.9MPa(A)，经膨胀机增压端增压后又分为两部分，一部分经主换热 器冷却后从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后返回主换热器，复热后进入循环氮压机，完成循环。另一部分经主换热器冷却液化为液 氮，液氮经阀门节流为后返回主换热器，复热后进入循环氮压机，完成循环。原料氮气(0.35MPa(A), -30 C)经主换热器冷却后液化，进入液体量筒，经低温液氮泵加压到 0.5MPa(A)，送入贮槽循环利用。也可采用有预冷的液化循环组织，主换热器中抽出 -16 C氮气进 冷冻机组冷却到-28 C再进主换热器，经过 ASP

6、EN模拟后，虽然可减 少些循环氮气量，但投资上增加了一台低温冷冻机组， 且冷冻机也消 耗一部分电能，总的来说，并没有太明显的优势。这种流程组织相对简单，运行可靠，但能耗不占优势，最主要的 是必须配置两台加压泵(一用一备)，否则液化后的氮气无法进入带 压的贮槽中，所以这种流程组织并不是最完善的。2.2我们再设计一种流程组织，形式见氮气回收液化系统示意图*.仍采用单级增压单级膨胀的氮制冷循环。从冷箱复热出来的 0.335MPa(A)氮气进入循环氮压机压缩至1.6MPa(A)，经膨胀机增压 端增压后又分为两部分，一部分经主换热器冷却后从主换热器中部抽 出进入膨胀机，膨胀后返回主换热器，复热后进入循环

7、氮压机，完成循环。另一部分(1350Nmh )经主换热器冷却液化为液氮，液氮经 阀门节流后作为产品(0.6MPa(A), -181 C)送入贮槽。原料氮气(0.35MPa(A), -30 C)经主换热器复热至常温后进入 循环氮压机进行循环。这里把流路改动了一下，原料氮气不再作为单独的一路进行液 化，而是做为循环气参与整套流程的循环， 膨胀机膨胀后压力与原料 气保持一致，增压后的氮气抽取一股与原料气同量的气量作为液化产 品，保证压力可顺利进入贮槽，并配置一台过冷器，抽取一小部分液 氮节流至0.35MPa(A),使液化后的产品具有一定的过冷度，防止进 入贮槽后汽化量过大，保证装置的平稳运行。这种流

8、程组织相对简单，运行可靠，能耗也占优势，省去了低温在上述流程组织中，压缩后的循环氮气在膨胀机中膨胀到 0.335MPa(A)，是为了与原料氮气保持一致的压力，再进循环氮压机 压缩循环。现在可将原料氮气压力先降到常压， 再与膨胀后的循环氮 气汇合后压缩，在原料氮气流路上设置一台膨胀机， 将这股氮气膨胀 做功回收冷量，因原料氮气流量较少，膨胀机采用气体轴承，效率高, 运行简便。其它流路组织不变，需要调整循环氮压机的循环流量和出口压 力：流量小，压力高，循环氮压机不好选型；流量大，压力低，相对 能耗增高，且为使主换热器能够设计制造，必须保证主换热器的最小 温差，同时还需考虑主换热器的对数温差等影响换热效率的各种因 素。通过模拟对比，选择一组最匹配的压缩机参数（参数见表一）。这种流程组织与前述方案无太大区别，只是增设了一台气轴膨胀 机，从理论上应比前述方案更节省能耗， 但通过两种方案的主换热器 参数调整对比，后者因膨胀比过大，膨胀后温度较低，为防止机后带 液，膨胀前温度不能太低，则膨胀机机前温度调整范围较小，无论怎 么调整主换热器的换热温差损失都较大，相对来说并没有明显的降低3、结束语通过以上对氮气回收并液化循环流程方案的对比， 采用第二方案 是最经济合理的，不仅操作简便、投资最少，且运行能耗低、